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EMBc确保10G短距离系统的可靠性
2006年6月26日 14:1  来源:光波通信  作者:叶小华
  各种商务活动需要比以往更大的带宽及网络吞吐量。IT经理们已经在LAN骨干网上和数据处理中心内采用了10G高速网络,据预测未来5年中大多数园区骨干网也将达到10Gb/s。  

  美国及国际标准现在都有关于10Gb/s网络系统的标准规范。短距离(简称SR)系统(300米及以下的网络传输系统)工作于850纳米波段,充分利用了10Gb/s VCSEL的低成本优势和50微米多模光纤(MMF)的高带宽优势。适当的有效模式带宽(EMBc)是一个新的带宽度量参数,它更有利于保证10Gb/s SR系统的传输性能。
  
  低成本系统的需求

  网络系统的成本及可靠性是开发者所考虑的最重要的因素。在LAN中,由于采用了850nm  VCSEL收发器和新型针对激光器优化的适于10Gb/s  传输的50微米光纤,使得SR连续多模系统相对于具有同样传输能力的单模系统成本更低。

  SR系统的性能主要取决于收发器以及MMF的性能。美国电信行业协会(TIA)已经确立了光纤和激光器的各项标准。基于光纤连接的技术需求以及各生产厂商的制造能力,TIA光纤光学工作组多模光纤带宽模式依赖性小组(FO-4.2.1)规范了10Gb/s系统的各个参数,从而保证了各厂商产品的实用性及兼容性。

  在收发器方面,10Gb/s激光器要求输出光束大部分集中在半径为4.5至19微米的环形区域内,具体说就是要求不多于30%的光能位于半径小于4.5微米的区域。这样就有效地限制了光能过多地输入到MMF的最低阶模式中。此外,TIA标准也规定了在半径为19微米的区域内至少有86%的光能,以防止过多光能泄漏到纤芯外层甚至包层中去。

  在成本效益比和普遍采用的850nm  VCSEL收发器的特性已确定的情况下,人们开始针对850nm波长优化MMF以满足低成本传输系统的要求。与传统的使用1310纳米LED光源的62.5微米纤芯的FDDI光纤相比,50微米MMF具有更高的带宽,并且能支持850纳米10Gb/s传输,同时还保持了1310纳米的传输性能。

  MMF影响整个系统性能的基本特性是其光纤模式结构。光纤模式与输入光的相互作用决定了整个系统的性能。在10Gb/s以太网标准IEEE 802.3ae的制定过程中,TIA FO-4.2.1定出了测试程序TIA-455-220A来确定MMF的模式结构。这就是微分模式延迟(DMD)方法。在此方法中,要采用一个精确的850nm单模光源通过一段特殊的单模探测光纤对被测的MMF纤芯以1至2微米的间隔进行扫描(图1)。该方法能确定传输最快及最慢的光脉冲模式之间的延迟时间。输出的结果是脉冲延迟时间与径向位置的关系曲线图,图2即为一典型的曲线示意图。

  采用DMD方法能清晰表明各模式之间的相对延迟,从而确定MMF的质量。DMD数值必须足够小以满足10Gb/s传输所需的大带宽和传输距离。
  
  计算EMBc的方法

  系统性能由输入光源特性与光纤模式结构相互作用决定。其中光源特性采用光源径向辐射强度的分布图描述,而光纤模式结构由光纤DMD曲线描述(如图2),这些参数采用TIA-455-220A标准化测试方法测得。通过测试光源及光纤的参数就可以计算出10Gb/s传输系统的EMB参数。

  光径向辐射强度是近场强度与辐射位置加权的结果(图3),一个特定半径内的环形区域光通量(EF)是该半径内的面积除以曲线内的整个面积所得比值。由于对EF的要求不同,有源器件厂商针对10Gb/s传输系统提供了许多不同功率/强度分布的850nm的VCSEL。因此无论理论预测或要实际保证系统传输性能都有许多难处。

  图4是按照TIA模型创建的10Gb/s概念型激光器的参数分布以及用来确立标准的10个实际激光器的参数分布,其中1号和5号激光器是两种极端的情况,其光强分别分布于纤芯的中心和边缘区域。

  10Gb/s系统要求即使采用上述极端的激光器也必须像正常激光器一样完成无差错传输。有些制造商倾向于生产大光斑激光器,而有些则倾向于小光斑,制定标准的目的是在规范功能的基础上尽可能容纳更多类型的激光器及光纤。从理论上说,每种光纤可以通过与多种激光器进行匹配测试从而确定其适合于哪种激光器,但因为很多原因该方法并不可行。EMBc方法通过比较特定光纤测试数据(DMD)和特定激光器测试数据(EF)可以确定哪些光纤与哪些激光器相匹配。

  尽管DMD脉冲的加权指数由强度分布和光纤模式结构共同决定,但由光源引起的模式功率分布仍可由DMD脉冲的加权和来表征,这是EMBc理论的一个重要特点。由于任一光源都可通过一组特定的加权DMD脉冲精确地表征,因此所有光源的变化以及由此引起的系统性能的模式依赖性都可采用数学方法处理。TIA-455-220A附件D提供了由EF数据产生DMD加权的程序,并按图4中的10个激光器的参数确定了300米、10Gb/s、850nm传输系统的一组默认加权值。

  光纤的DMD参数与光源的DMD加权和相结合,就可以计算出输出脉冲的参数。然后可将互相匹配的激光器-光纤的EMB值与系统所需的EMB值进行比较。总之,EMBc的主要目的是保证光纤的EMB在对应激光器的任何模式功率分布下都能满足10Gb/s系统的传输要求。最小EMBc值是指适用于整个EF频谱范围的一系列激光器所对应的光纤的最小EMB值。该参数能保证光纤可以与所有满足EF要求的激光器一起工作。
  
  EMBc的优势

  由于综合考虑了激光器与光纤的性能(更重要的是考虑了其相互作用),因此相对于其他用于保证系统性能的带宽参数而言,EMBc具备更多的优势:

  ●  可靠的理论基础以及实验验证。EMBc程序综合了光源的基本性能、模式功率分布以及MMF的模式结构,采用DMD脉冲加权和光纤DMD扫描。所采用的物理分析真实反映了系统性能的主要因素,得出了准确的分析结果。通过实验,成功支持且验证了该方法的有效性。

  ●  考虑了最坏的情况。采用最小EMBc参数规定光纤的性能参数,从而保证MMF适用于几乎所有种类的合格光源,包括极端的光能聚集在纤芯中心或边缘的激光器。因此成为一个稳妥可靠的系统性能度量参数。

  ●  对不同速率及连接距离的灵活性和适应性。EMBc方法最初是为10Gb/s以太网开发的,但它也适合其他速率和连接长度的应用,比如用于数据中心的光纤通道。只要针对光源在所选数据速率下的性能确定输入参数,就能用同样的计算方法可靠地预测系统性能。

  ●  符合标准,有多厂商支持。EMBc是被众多光纤、器件及系统厂商所支持的一种方法。在它被采纳为TIA和10-GbE标准的过程中就获得了广泛的认可。现在IEC正准备采纳该方法,使其成为一项国际标准。
  
  EMBc的扩展延伸

  自从IEEE 10-GbE标准出版后,TIA FO-4.2.1工作组开始着手将EMBc带宽度量延伸到其他数据速率和连接长度以满足更多协议的需求。被提议的应用包括速率为1.25Gb/s的600及1000米传输、2.125Gb/s速率300及600米传输以及2.488Gb/s速率300及600米传输。也提到了速率为10Gb/s的150及600米传输系统。

  讨论的焦点集中于光纤参数的设定及光源模式功率特性,这些参数是建立模型的主要参数。后者的重要性是因为通常认为1Gb/s的VCSEL比10Gb/s VCSEL具有更大的光斑尺寸,两者间的模式功率分布差别很大。人们还认为应该考虑500至2000MHz·km的所有50微米多模光纤。最终结果的确定可能还需进行一系列的实验。

  在网络用户持续带宽需求的驱使下,10Gb/s传输系统很快被IT经理们用于园区骨干网络以及公司的数据中心内。采用850nm VCSEL和针对激光器优化的50微米多模光纤是满足传输需求且成本最低的有效途径。EMBc为10Gb/s短距离系统的稳定传输提供了最佳的性能保证,且该参数还将广泛应用于其他速率及连接距离的系统。
  
  Y. Lisa Peng是康宁光纤公司负责市场分析、战略策划及分析的经理;John Abbott是康宁公司负责高级建模及分析的资深工程助理;Doug Coleman是康宁光缆公司的战略技术经理。


  叶小华:北京邮电大学光通信中心光通信与光交换研究室
  译自《Lightwave》2004年10月27页《With calculated EMB, SR 10G is guaranteed》
  

  
图1微分模式延迟测试法对多模光纤模式结构提供了最佳估测。

  

  
图2脉冲延迟时间与径向位置的关系曲线图揭示了被测多模光纤是否适于10Gb/s信号传输。

  

  
图3光径向辐射强度(由近场强度测量所得),加上微分模式延迟测试结果能够计算有效模式带宽。

  

  
图4光源性能的大幅变化突出了合适的有效模式带宽测试的重要性。
 
 [关键词]:LAN IEEE 802.3  发表评论    【推荐】 【打印

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