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对激光器优化的多模光纤给标准化测试带来了挑战
作者：David Kritler

针对激光器优化的多模光纤给制造商带来了新的测试问题，特别是差分模式时延的测量。

IEEE 802.3ae 10G比特以太网标准的出台使市场对新型光纤的需求大大增加。现在市场需要一种针对850nm垂直腔表面发射激光器进行优化设计的光纤。在这种“针对激光器优化”的光纤给市场带来商机的同时，也给制造商带来了一系列测试上的问题，特别是在微分模式时延（DMD）测量上。虽然很多制造商为了过程控制曾经使用许多方法测量过DMD，但是现在我们需要的是更可靠的结果，因此需要使测试程序标准化，同时光纤制造者也需要在他们的生产过程中采纳这些测试程序，这同样是一个难题。在制造商确定哪一种方案才是最好的之前，他们必须要理解DMD、新的测试程序以及生产的需要。
在制定IEEE 802.3z G比特以太网标准时，工程师们意识到，当光纤与一个激光器收发信机相连时，光纤制造商测量得到的多模光纤的带宽并不是光纤的实际带宽。出现问题的原因主要是因为现在使用的多模光纤是针对LED光源设计的，因此多模光纤的带宽是在出厂前在仿真这样的光源的环境下测得的。如果在这样的环境下使用小光斑激光器，例如垂直腔表面发射激光器，那么光纤则处于未注满状态——光仅仅注入到光纤可用模式的一部分中，因此光纤的性能与出厂前测得的会有很大不同。于是相应的光纤带宽的不确定性迫使IEEE在GbE标准中针对几种多模光纤类型设定的最大链路距离较为保守。
2000年，电信行业协会（TIA）和国际电工委员会（IEC）多模光纤工作组解决了造成这种性能不确定的两大主要问题。第一、他们针对VCSEL收发器的输出分布制定了详细规范，从而确保光源模式群的更高的一致性。第二、他们修改了多模带宽测试程序，针对GbE所用光纤增加了新的受限模式输出（RML：restricted mode launch）测试条件。RML的目的是要尽可能的仿真新的G比特VCSEL的输出模分布，从而更理想的测量光纤带宽，进而更有效的预测实际系统的性能。
可惜的是，这些标准在两年前，也就是在IEEE GbE标准之后才推出。尽管如此，在制定802.3ae 10GbE标准时，TIA和IEC工作组所掌握的资料依然是十分有效的。当工作组在开始这个新项目时，他们清楚的发现即便连接距离只有300米，实现10Gbit/s传输的难度也远大于1GbE。另外，传统的多模光纤，例如62.5mm FDDI LAN或者50mm ISO/IEC 11801，基本上不能达到新标准的要求。因此，需要研制一种全新的多模光纤，一种针对850nm激光器优化的光纤。
即便使用这种新的光纤，用另一种RML带宽测试方法也无法完全保证10Gbit/s、300米的传输。因为要同时在传输速度和传输距离上满足要求，就只能将光纤的模式色散降低到前所未有的水平，这就要求必须用更基本的方式测量模式色散。所以TIA和IEC规定，所有针对激光器优化的光纤的DMD都需要测量，而且每一个DMD都必须满足极为严格的规定。
那么，DMD测量到底是什么呢？有一种解释说，它类似于脉冲时延（在时域范围内）色散的测量。但是实际上脉冲传输的时延并不是作为一个波长的函数来测量的，激光脉冲的传输时延是作为一个径向位置的函数来测量的，而这个位置就是脉冲注入到多模光纤纤芯的位置。
图1简单的解释了时域DMD的测量。一个探测光脉冲注入到光纤的四个不同的径向位置，并在不同的时间从光纤射出，这是因为在不同位置激发出的模式群的传输特性会有所不同。那么最快和最慢的脉冲之间相对的时差就是光纤的DMD。

(图1)

能否测定每一根光纤的DMD主要取决于光纤制造商。在这一点上，DMD仅仅只是作为一个内部工序的控制参数，因为在商用方面，它不像光谱衰减或者带宽一样是可以明确说明的光纤特性，所以不会有针对DMD的国际标准测试程序，也不会有任何的惯例来规范它。因此，光纤制造商用来测量DMD并说明结果的途径一般会有很多种。
尽管存在这样的可变性，但实际上所有的时域DMD测量都由以下几点构成：

‧ 测试中，脉冲激光器的输出光斑要与光纤纤芯的中心对准。

‧ 用一个高速探测仪和采样示波器接收光纤中的光脉冲，输出脉冲的幅度以时间函数来记录。

‧ 激光光斑将通过光纤纤芯，在每个测量点都要记录相同的幅度和时间信息。

‧使用某种脉冲定位技术来确定径向脉冲的相对时延。
一个补偿好的（低DMD）光纤的DMD测量结果与图2所示相似。在这个例子中请注意，圆圈和虚线对应的是DMD数据组中最快的上升沿和最慢的下降沿。

(图2)

更高的精度和分辨率
随着新的针对850nm激光器优化的用于10GbE的50mm光纤的面世，光纤制造商不仅需要用一种更可靠的方法去测量DMD，而且还要提高测量的准确度和分辨率来确保10Gbit/s传输的性能。要实现这些目标，TIA和IEC工作组为DMD测量草拟了测试程序（TIA FOTP-220、IEC 60793-1-49），它为DMD测量的最关键的一些方面建立了规范：脉冲“探测”激光源的性能，测量中激光光斑的定位。这份草案中还讲到DMD探测光应该：

‧ 光谱宽度窄，或者能够补偿更宽的光谱从而减小因光源色散引起的误差。

‧ 出射光为高斯光束，且时间宽度应小于要测量的DMD的110%。

‧ 注入高斯光斑，光斑的模场直径约为5mm，从而可以限制在每个测量点激发的模式群的数目，并使DMD的分辨率最大化。

‧ 产生高功率脉冲从而使信噪比最大，假如50mm光纤针对850nm激光器优化，那么一般衰减大约为2.5dB/km。
这些要求将光源的选择范围限制在钛蓝宝石激光器和分布反馈式半导体激光器上。更为普遍的850nm法布里-珀罗激光器虽然也能满足一些要求，但是他们的光谱宽度太宽，而850nm的VCSEL虽然光谱窄，一般只能产生几毫瓦的光功率，因此会限制系统的测量范围。
一旦合适的探测激光器选定了，就完全可以用如下的方法给激光器的输出光斑定位：

‧ 首先将光斑定位在用来测试的光纤的输入端，范围在光纤纤芯中心位置附近1mm处。

‧ 以小于1度误差的角度注入，激光光斑的直径不发生变化。

‧ 每次移动2mm，精确到0.5mm以下缓慢移动注入光斑，通过光纤纤芯。
每一个定位要求都是为了保证探测激光器光斑位置、直径以及激光器注入光束角向的准确性和可重复性（图3）。这一系列规定不仅有助于保证在每个测量点激活“正确”的模式群，也有助于提高DMD测量的可重复性。

(图3)

如何测试最好
因为存在这样严格的测试标准，对那些希望为前景看好的10GbE市场生产出“下一代多模光纤”的光纤制造商来说，摆在他们面前的问题是：尽管在实验室的环境下对测试程序作了很多研究，但是怎样在生产环境下准确而安全的完成测试呢？毕竟，虽然能够在实验室里使用昂贵的安装在防震工作台上的光纤操纵器来精确移动光纤，以及使用高功率钛蓝宝石激光器和高频探测器，但显而易见的是，这些在生产车间里是不容易做到的。除了测试系统的物理结构外，未来的10Gbit/s多模光纤制造商仍然要考虑怎样才能在生产中有效的进行DMD测量。和现在生产中用到的其它光纤测量方法一样，DMD测量所用的测试系统应该具备以下大部分特性：

‧ 符合标准。按照应用标准进行测量。

‧ 准确。产生与现有行业“参考基准”相一致的结果。

‧ 可靠性。可以在生产平台上使用，能够24x7不间断运行，并且性能稳定。

‧ 操作简便。现有的生产测试人员能够使用，测量结果不依赖操作人员。

‧ 高速。准备光纤、安装和测量所用时间尽可能短。

‧灵活。可以用于各种生产场所。

‧ 适应性。可以被修改从而适应测量程序和结果计算方法的变化。

‧ 多功能。准备一次光纤，就可以用这个平台进行其它关键参数的测量。
因为DMD是一个相对较新的光纤参数，而且DMD测试系统的市场相对来说仍然较小，所以具备以上所有性能的商用测试系统很少。在制造商们开始自主开发测试方案或者决定将实验室的设备改进用到工厂之前，市场上近来已经出现了商用DMD测试系统。对此，制造商们应该认真考虑。这些新的测试系统也许不具备上述的所有性能，但具备了多种十分关键的性能。
当测试能力能满足制造商的需要时，下一代多模光纤的制造商们不仅能保证他们的光纤性能与设计的相同，也能使光纤和IEEE 10GbE标准最初希望的一样低成本、高效益。