EMBc確保10G短距離系統(tǒng)的可靠性

 
　　各種商務(wù)活動(dòng)需要比以往更大的帶寬及網(wǎng)絡(luò)吞吐量。IT經(jīng)理們已經(jīng)在LAN骨干網(wǎng)上和數(shù)據(jù)處理中心內(nèi)采用了10G高速網(wǎng)絡(luò)，據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)5年中大多數(shù)園區(qū)骨干網(wǎng)也將達(dá)到10Gb/s。   

　　美國(guó)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在都有關(guān)于10Gb/s網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。短距離（簡(jiǎn)稱(chēng)SR）系統(tǒng)（300米及以下的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)）工作于850納米波段，充分利用了10Gb/s　VCSEL的低成本優(yōu)勢(shì)和50微米多模光纖（MMF）的高帶寬優(yōu)勢(shì)。適當(dāng)?shù)挠行Ｊ綆挘‥MBc）是一個(gè)新的帶寬度量參數(shù)，它更有利于保證10Gb/s　SR系統(tǒng)的傳輸性能。 
　　 
　　低成本系統(tǒng)的需求 

　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成本及可靠性是開(kāi)發(fā)者所考慮的最重要的因素。在LAN中，由于采用了850nm　　VCSEL收發(fā)器和新型針對(duì)激光器優(yōu)化的適于10Gb/s　　傳輸?shù)?0微米光纖，使得SR連續(xù)多模系統(tǒng)相對(duì)于具有同樣傳輸能力的單模系統(tǒng)成本更低。

　　SR系統(tǒng)的性能主要取決于收發(fā)器以及MMF的性能。美國(guó)電信行業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）已經(jīng)確立了光纖和激光器的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)?；诠饫w連接的技術(shù)需求以及各生產(chǎn)廠商的制造能力，TIA光纖光學(xué)工作組多模光纖帶寬模式依賴(lài)性小組（FO－4.2.1）規(guī)范了10Gb/s系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，從而保證了各廠商產(chǎn)品的實(shí)用性及兼容性。

　　在收發(fā)器方面，10Gb/s激光器要求輸出光束大部分集中在半徑為4.5至19微米的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，具體說(shuō)就是要求不多于30％的光能位于半徑小于4.5微米的區(qū)域。這樣就有效地限制了光能過(guò)多地輸入到MMF的最低階模式中。此外，TIA標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了在半徑為19微米的區(qū)域內(nèi)至少有86％的光能，以防止過(guò)多光能泄漏到纖芯外層甚至包層中去。

　　在成本效益比和普遍采用的850nm　　VCSEL收發(fā)器的特性已確定的情況下，人們開(kāi)始針對(duì)850nm波長(zhǎng)優(yōu)化MMF以滿足低成本傳輸系統(tǒng)的要求。與傳統(tǒng)的使用1310納米LED光源的62.5微米纖芯的FDDI光纖相比，50微米MMF具有更高的帶寬，并且能支持850納米10Gb/s傳輸，同時(shí)還保持了1310納米的傳輸性能。

　　MMF影響整個(gè)系統(tǒng)性能的基本特性是其光纖模式結(jié)構(gòu)。光纖模式與輸入光的相互作用決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。在10Gb/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE　802.3ae的制定過(guò)程中，TIA　FO-4.2.1定出了測(cè)試程序TIA-455-220A來(lái)確定MMF的模式結(jié)構(gòu)。這就是微分模式延遲（DMD）方法。在此方法中，要采用一個(gè)精確的850nm單模光源通過(guò)一段特殊的單模探測(cè)光纖對(duì)被測(cè)的MMF纖芯以1至2微米的間隔進(jìn)行掃描（圖1）。該方法能確定傳輸最快及最慢的光脈沖模式之間的延遲時(shí)間。輸出的結(jié)果是脈沖延遲時(shí)間與徑向位置的關(guān)系曲線圖，圖2即為一典型的曲線示意圖。

　　采用DMD方法能清晰表明各模式之間的相對(duì)延遲，從而確定MMF的質(zhì)量。DMD數(shù)值必須足夠小以滿足10Gb/s傳輸所需的大帶寬和傳輸距離。
　　
　　計(jì)算EMBc的方法

　　系統(tǒng)性能由輸入光源特性與光纖模式結(jié)構(gòu)相互作用決定。其中光源特性采用光源徑向輻射強(qiáng)度的分布圖描述，而光纖模式結(jié)構(gòu)由光纖DMD曲線描述（如圖2），這些參數(shù)采用TIA-455-220A標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法測(cè)得。通過(guò)測(cè)試光源及光纖的參數(shù)就可以計(jì)算出10Gb/s傳輸系統(tǒng)的EMB參數(shù)。

　　光徑向輻射強(qiáng)度是近場(chǎng)強(qiáng)度與輻射位置加權(quán)的結(jié)果（圖3），一個(gè)特定半徑內(nèi)的環(huán)形區(qū)域光通量（EF）是該半徑內(nèi)的面積除以曲線內(nèi)的整個(gè)面積所得比值。由于對(duì)EF的要求不同，有源器件廠商針對(duì)10Gb/s傳輸系統(tǒng)提供了許多不同功率/強(qiáng)度分布的850nm的VCSEL。因此無(wú)論理論預(yù)測(cè)或要實(shí)際保證系統(tǒng)傳輸性能都有許多難處。

　　圖4是按照TIA模型創(chuàng)建的10Gb/s概念型激光器的參數(shù)分布以及用來(lái)確立標(biāo)準(zhǔn)的10個(gè)實(shí)際激光器的參數(shù)分布，其中1號(hào)和5號(hào)激光器是兩種極端的情況，其光強(qiáng)分別分布于纖芯的中心和邊緣區(qū)域。

　　10Gb/s系統(tǒng)要求即使采用上述極端的激光器也必須像正常激光器一樣完成無(wú)差錯(cuò)傳輸。有些制造商傾向于生產(chǎn)大光斑激光器，而有些則傾向于小光斑，制定標(biāo)準(zhǔn)的目的是在規(guī)范功能的基礎(chǔ)上盡可能容納更多類(lèi)型的激光器及光纖。從理論上說(shuō)，每種光纖可以通過(guò)與多種激光器進(jìn)行匹配測(cè)試從而確定其適合于哪種激光器，但因?yàn)楹芏嘣蛟摲椒ú⒉豢尚?。EMBc方法通過(guò)比較特定光纖測(cè)試數(shù)據(jù)（DMD）和特定激光器測(cè)試數(shù)據(jù)（EF）可以確定哪些光纖與哪些激光器相匹配。

　　盡管DMD脈沖的加權(quán)指數(shù)由強(qiáng)度分布和光纖模式結(jié)構(gòu)共同決定，但由光源引起的模式功率分布仍可由DMD脈沖的加權(quán)和來(lái)表征，這是EMBc理論的一個(gè)重要特點(diǎn)。由于任一光源都可通過(guò)一組特定的加權(quán)DMD脈沖精確地表征，因此所有光源的變化以及由此引起的系統(tǒng)性能的模式依賴(lài)性都可采用數(shù)學(xué)方法處理。TIA-455-220A附件D提供了由EF數(shù)據(jù)產(chǎn)生DMD加權(quán)的程序，并按圖4中的10個(gè)激光器的參數(shù)確定了300米、10Gb/s、850nm傳輸系統(tǒng)的一組默認(rèn)加權(quán)值。

　　光纖的DMD參數(shù)與光源的DMD加權(quán)和相結(jié)合，就可以計(jì)算出輸出脈沖的參數(shù)。然后可將互相匹配的激光器－光纖的EMB值與系統(tǒng)所需的EMB值進(jìn)行比較?？傊?，EMBc的主要目的是保證光纖的EMB在對(duì)應(yīng)激光器的任何模式功率分布下都能滿足10Gb/s系統(tǒng)的傳輸要求。最小EMBc值是指適用于整個(gè)EF頻譜范圍的一系列激光器所對(duì)應(yīng)的光纖的最小EMB值。該參數(shù)能保證光纖可以與所有滿足EF要求的激光器一起工作。
　　
　　EMBc的優(yōu)勢(shì)

　　由于綜合考慮了激光器與光纖的性能（更重要的是考慮了其相互作用），因此相對(duì)于其他用于保證系統(tǒng)性能的帶寬參數(shù)而言，EMBc具備更多的優(yōu)勢(shì)：

　　●　　可靠的理論基礎(chǔ)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。EMBc程序綜合了光源的基本性能、模式功率分布以及MMF的模式結(jié)構(gòu)，采用DMD脈沖加權(quán)和光纖DMD掃描。所采用的物理分析真實(shí)反映了系統(tǒng)性能的主要因素，得出了準(zhǔn)確的分析結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，成功支持且驗(yàn)證了該方法的有效性。

　　●　　考慮了最壞的情況。采用最小EMBc參數(shù)規(guī)定光纖的性能參數(shù)，從而保證MMF適用于幾乎所有種類(lèi)的合格光源，包括極端的光能聚集在纖芯中心或邊緣的激光器。因此成為一個(gè)穩(wěn)妥可靠的系統(tǒng)性能度量參數(shù)。

　　●　　對(duì)不同速率及連接距離的靈活性和適應(yīng)性。EMBc方法最初是為10Gb/s以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)的，但它也適合其他速率和連接長(zhǎng)度的應(yīng)用，比如用于數(shù)據(jù)中心的光纖通道。只要針對(duì)光源在所選數(shù)據(jù)速率下的性能確定輸入?yún)?shù)，就能用同樣的計(jì)算方法可靠地預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能。

　　●　　符合標(biāo)準(zhǔn)，有多廠商支持。EMBc是被眾多光纖、器件及系統(tǒng)廠商所支持的一種方法。在它被采納為T(mén)IA和10-GbE標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中就獲得了廣泛的認(rèn)可?，F(xiàn)在IEC正準(zhǔn)備采納該方法，使其成為一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　EMBc的擴(kuò)展延伸

　　自從IEEE　10-GbE標(biāo)準(zhǔn)出版后，TIA　FO-4.2.1工作組開(kāi)始著手將EMBc帶寬度量延伸到其他數(shù)據(jù)速率和連接長(zhǎng)度以滿足更多協(xié)議的需求。被提議的應(yīng)用包括速率為1.25Gb/s的600及1000米傳輸、2.125Gb/s速率300及600米傳輸以及2.488Gb/s速率300及600米傳輸。也提到了速率為10Gb/s的150及600米傳輸系統(tǒng)。

　　討論的焦點(diǎn)集中于光纖參數(shù)的設(shè)定及光源模式功率特性，這些參數(shù)是建立模型的主要參數(shù)。后者的重要性是因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為1Gb/s的VCSEL比10Gb/s　VCSEL具有更大的光斑尺寸，兩者間的模式功率分布差別很大。人們還認(rèn)為應(yīng)該考慮500至2000MHz