多模光纤及其在网络和通信中的应用
发布时间：2007-06-28 作者：郭松
多模光纤是指可以传输多个模式的光纤，相对普通单模光纤而言，多模光纤具有更大的数值孔径和纤芯直径。同时，因为它的模式色散大而使其带宽远远低于单模光纤。但是，由于多模光纤对传输系统中器件的要求相对于单模光纤要低得多，因此它存在着很大的发展潜力和空间。自1970年美国康宁公司研制出世界上第一根衰减系数为20分贝/公里的多模光纤以来，多模光纤经历了从兴到衰，又从衰到兴的变化。
多模光纤，按组成材料的不同，可以分为石英光纤，塑料光纤，塑包石英光纤，多组分玻璃光纤等；按光纤端面折射率分布，可以分为多模渐变折射率光纤（简称渐变型多模光纤）和多模阶跃变化折射率光纤（简称阶跃型多模光纤）。阶跃型多模光纤的芯直径很大，通常大于80mm；带宽很低，一般只有30~60MHz·km，因此不能用于通信系统。本文重点讨论渐变型通信用多模光纤。
第一代多模光纤
光纤通信的基础材料是光纤预制棒。光纤的主要光学参数，如传输损耗、传输带宽、几何尺寸、数值孔径均取决于预制棒的合成工艺。借助于掺杂剂，可使光纤纤芯折射率各层具有指定的折射率和规定的尺寸。渐变型多模型光纤的折射率分布可由下式表示：
式中：
R是纤芯半径，
n1是纤芯处的折射率，
n2是包层折射率，
g是折射率分布指数。
上世纪70年代，多模光纤采用CCITT建议标准。按该标准，渐变型多模光纤依光纤纤芯直径大小分为两种，一种是纤芯直径为62.5mm的光纤,简写为62.5/125mm光纤，另一种是纤芯直径为50mm的光纤，简写为50/125mm光纤。
1976年，美国采用MCVD工艺生产的50/125mm光纤，在1300nm和1550nm波长下的最低光损耗分别达到0.47dB/km和0.2dB/km。由于低损耗光纤的出现，以及光有源器件和无源器件的研制成功，光纤通信进入实用化阶段。
在国外对我国实行封锁禁运的情况下，中国自力更生开发出多模光纤。在四大科研院所的共同努力下，我国1980年成功开发了低温MCVD工艺。1981年渐变型短波长光纤通过鉴定。1982年天津市率先开通了7公里（六芯）二次群8.448Mb/s（相当于480路电话）光纤通信工程，简称824工程。此后全国先后建立了数十个光纤通信系统。
1983年，中国采用MCVD工艺生产的50/125mm光纤，在850nm和1300nm波长下的带宽分别达到903MHz·km和2167MHz·km（由日本古河检测），在1300nm和1550nm波长下的光纤损耗分别达到0.49dB/km 和0.22dB/km。至此，中国打破了国外封锁，日本古河公司来天津市参观之后，曾要求开展合作研究。
1985年4月1日，《长波长光纤预制棒及其制法》率先申请中国发明专利，1987年获得中国发明专利权。
1985年，为四次群通信工程设立的“六五”科技攻关课题通过鉴定。175公里光纤在1300nm波长下的平均带宽为903MHz·km，其余指标符合CCITT建议标准。此时，中国多模光纤的科研数据接近国外水平。
1986年以后，进口的单模光纤广泛用于干线通信。此后，50/125mm光纤的生产及其应用研究慢慢趋于停顿。在50/125mm光纤遭到冷遇的时候，62.5/125mm光纤的应用开发却得到显著发展。因为国外的62.5/125mm光纤价格便宜，与之配套的光电器件达到实用水平而且价格低廉，这使62.5/125mm光纤光缆得以迅速推广应用于室内水平布线。1998年，室内光缆占美国光缆销售总额的31.4%。从2001年起迅速增加，到2003年达到41.9%。
随着LAN的速率不断升级，传输距离反而受到62.5/125mm光纤带宽的限制。为了解决这个问题，以康宁、朗讯、阿尔卡特为代表的各大光纤制造企业，大力开发一种被称为带宽增强型的62.5/125mm多模光纤。在改进62.5/125mm光纤的同时，国际上提出重新起用50/125mm光纤的建议。因为与62.5/125mm光纤相比，50/125mm光纤的数值孔径和芯径较小，传导模的数目较少（参考表1），其带宽高（高三倍）、成本较低（低1/3）。显然50/125mm光纤将得到重用。预计几年以后，62.5/125mm光纤将不再继续主宰多模光纤市场。
新一代多模光纤
由于多媒体，高速互联网，HDTV等对宽带业务要求的持续增长，要求接入网中采用大容量传输介质。光纤到家（FTTH）已经列入规划，建筑物中62.5/125mm多模光缆水平布线受到挑战。一般说来，62.5/125mm光纤在850nm波长下的带宽小于200MHz·km，在1300nm波长下的带宽小于500MHz·km。
计算机网络的普及与发展，带动了基于网络的数据传输网络的传输速度不断提高。于是IEEE计算机协会、LAN/MAN标准委员会开始制定千兆比特（Gbit/s）以太网标准，并于1998年6月通过了IEEE802.3z千兆比特以太网标准。2002年7月又通过了IEEE802·3ae 万兆比特以太网标准。新标准考虑采用50/125mm新一代多模光纤。目前正在讨论修改旧的G·651建议（50/125mm多模渐变折射率光纤的特性），直到现在还没有提出不同类型的光纤。虽然已经开展这方面的工作，要获得具体结果还需要一些时间。
目前，有关方面还没有公布关于新一代多模光纤的标准。有文章透露，新一代多模光纤有以下特点：
■ 这是一种新型的50/125mm渐变型（GI）多模光纤，工作波长在850nm和1300nm。
■ 光纤纤芯折射率分布的精确度远比传统的50/125mm光纤高。
■ 配用850nm 和1300nm垂直腔表面发射激光器（VCSEL）光源。该新型50/125mm光纤的“激光器带宽”应该达到2000MHz·km，用于支持10Gbit/s以太网单通道传输300米以上。
■ “激光器带宽”有别于传统的模带宽。因此，对该参数的测试方法也已经从传统的“满注入法（OFL，Overfilled Launch）”改为“限模注入（RML，Restricted Mode Launch）”新方法。
■ 新型50/125mm光纤的安装特性与传统多模光纤相同，操作人员不需学习新技术。
多模光纤预制棒的制造工艺可分为两类。即管内汽相沉积工艺（MCVD/PCVD）和外部汽相沉积工艺（OVD/VAD）。新一代多模光纤采用管内汽相沉积工艺。
武汉长飞光纤公司是国内唯一采用PCVD工艺生产新一代多模光纤的单位，其商品名称是高贝（HiBand）光纤。目前从网上查到的长飞高贝系列多模光纤产品,带宽远远小于2000MHz·km。天津采用MCVD工艺于1983年研制出了带宽大于2000MHz·km的多模光纤，但是其检测方法不一定符合“限模注入法”的标准。
由于生产新一代多模光纤预制棒与生产单模光纤预制棒的工艺不同，它只能采用管内汽相沉积工艺生产。因此，上世纪80年代曾经放弃MCVD工艺的外国公司，如康宁、住友、古河、信越等，正在重新起用MCVD工艺，或引进PCVD工艺研制新一代多模光纤。显然，发展新一代多模光纤及其相关产业，把中国的光纤产业做大做强，将给天津市提供很好的创新平台。这是千载难逢的机会。
宽工作波长多模光纤
2004年9月5-9日，第30届欧洲光通信会议在瑞典斯德哥尔摩召开。会议发表的论文中提到一种新的多模光纤—宽工作波长多模光纤。
众所周知，为了提高系统的传输容量，现在普遍采用的技术是提高传输速率，或者采用波分复用技术。宽工作波长的50/125μm光纤在1300/1550nm工作，可以与1300/1550nm长波长激光器配合，使数据通信系统能够传输更长的距离。同时，这种光纤在1300－1550nm范围的模带宽数值可以达到1-2GHz·km，可以实现波分复用。
通信用塑料光纤
通信用塑料光纤（POF）是新一代通信传输介质。它与石英光纤相比，具有纤芯直径大，连接容易，柔性好，可绕性好等优点。它非常适合作为路由交换器到用户终端的传输介质，能有效地解决“最后一公里”的瓶颈问题。
根据塑料光纤纤芯材料的不同，它可分为聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤（PMMA POF）和全氟树脂塑料光纤（PF POF）。PMMA POF的光损耗很大，在650nm的理论极限损耗值为106dB/km。所以它只能用于汽车、工业控制和消费电子等短距离传输。
全氟渐变型塑料光纤的损耗较低，在1300nm和1550nm波长下，损耗的理论极限值分别为0.3dB/km和 0.2dB/km，与石英光纤的相当。由于这种光纤在650-1300nm之间的光损耗比较低、色散小，可以在这个波长范围内实现多波长复用传播。它的研究成功和应用将给光通信事业带来新的增长点，推动信息社会向前发展。
2000年日本旭玻璃株式会社研制出的全氟渐变型塑料光纤，在1300nm波长下的损耗为16dB/km，带宽为569MHz·km。
全氟渐变型塑料光纤虽然具有前面所说的优点，但是离实用化还有相当长的距离。因为该产品的生产技术被日本的公司垄断，光纤产量小，成本高。目前这种光纤在中国的出售价格约为每米40元。
为了规范我国塑料光纤的制造、性能测试和工程应用，信息产业部正在组织有关专家制定国家行业标准，旨在推动我国塑料光纤、光缆产品制造，质量检测和工程应用。
结束语
单模光纤的芯径很小，要求连接对准精度高，从而给连接带来诸多不便；光收发器件价格昂贵，这些都阻碍着它在短距离通信网络中的应用。因此，多模光纤在被遗弃多年之后又得到重新起用。
在多模光纤中，50/125mm渐变型多模光纤具有低损耗、宽带宽的特点，而且加工技术比较成熟，是目前应该优先发展的光纤之一。
利用MCVD工艺生产50/125mm渐变型多模光纤是天津市的优势，应该抓住机遇发展它及其相关产业。