宽带多模光纤特性与应用研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研 究 报 告 要 点 短波分复用 技术 (SWDM)在 提高传输容量方面比并行传输有优势， 这几年被提出并推广，国内外知名的光纤制造商、光器件制造商、光模块生产商和网络基础设施解决方案提供商等正在联合推进该项技术的应用。适用于 SWDM 应用的OM5 光纤 已经面世并且发展迅速，该类光纤将 OM4 光纤的通信窗口从 850nm 扩展至 950nm，并与 OM3、 OM4 光纤有很好的兼容性，也 可 具有弯曲不敏感特性。 2016 年 6 月份 TIA 492AAAE-2016 首先 发布了 该类 光纤的 正式 产品标准 ，将其 命名为宽带多模光纤（ WBMMF） ， 2017 年发布 的 IEC 60793-2-10： 2017 和ISO/IEC 11801-1:2017分别将该 光纤命名 为 A1a.4和 OM5，并列入产品标准 规范 。 采用 SWDM 技术， 宽带多模 光纤将是 40Gb/s、 100 Gb/s 以及 400 Gb/s 高性能数据中心传输系统中的优质解决方案。因此有必要紧密结合国际技术发展尽快进行相关研究，为未来规范相关标准指标做准备。 本研究课题对 宽带多模 光纤的几何、光学、机械、环境性能进行研究，并概括介绍 宽带多模 光纤的优势特点及其在 短波长波分复用 系统 的应用。 （ 传送网与接入网技术委员会线缆工作组 ） 研究单位： 长飞光纤光缆股份有限公司、中国信息通信研究院、中通服咨询设计研究院有限公司、成都康宁光缆有限公司 项目负责人： 张立岩 项目参加人： 李婧，王润涵，黄荣，刘泰，韩超，杨红伟，杨世信 完成日期： 2018 年 11 月 目录 1 研究项目背景 . 1 1.1 任务来源 . 1 1.2 任务背景 . 1 1.3 研究内容 . 1 2 规范性引用文件 . 1 3 缩略语 . 4 4 OM5 光纤特性 . 4 4.1 概述 . 4 4.2 几何性能要求 . 4 4.3 机械性能要求 . 5 4.4 光学性能要求 . 5 4.5 环境性能要求 . 6 4.6 色散指标的说明 . 7 5 OM5 光纤应用 . 8 5.1 以太网发展趋势 . 8 5.2 SWDM 技术优势 . 8 5.3 OM5 光纤模式带宽优势 . 9 5.4 OM5 光纤 100Gb/s-SWDM4 传输距离 . 10 5.5 400Gb/s-SR4.2 . 10 5.6 结论 . 11 附录 A（资料性附录） OM5 光纤 DMD 测试系统要求 . 12 附录 B（资料性附录） SWDM 联盟简介 . 13 参考文献 . 14 1 宽带多模 光纤特性及应用研究 1 研究项目背景 1.1 任务来源 本研究课题来源于 通标发 2016 16号：关于印发中国通信标准化协会 2016年第一批研究课题项目计划的函 ，项目名称为 宽带 多模光纤 特性及应用研究 ，项目编号为 2016B36，项目起草单位长飞光纤光缆股份有限公司，参加单位 中国信息通信研究院、中通服咨询设计研究院有限公司、成都康宁光缆有限公司 。 1.2 任务背景 随着数据中心尤其是云 计算 数据中心的大规模建设，对于数据流量需求逐年攀升，促进了以太网传输速率 的 快速发展 ，达到了 100Gb/s，并逐步向着 400Gb/s目标努力。 目前主流 传输速率 100Gb/s是通过 4个单通道 25Gb/s并行传输（ Parallel transmission）实现的， 一个 光模块上 需要 8根多模光纤， 在单通道容量没有提升的情况下，要想增加传输容量，一般是通过并行传输技术实现的 ， 也就是说，在 未来 400Gb/s的以太网系统中，需要 16个单通道 25Gb/s并行传输， 一个光模块上需要接 32根 多模光 纤。 波分 复用（ WDM） 技术通过波长复用实现倍增传输，采用 WDM，每一根光纤可以容纳多股数据通道，这使得高通量数据传输所需的光纤数量得以减少。 应用于短波段的短波分复用技术（ SWDM）在这几年被提出并推广，国内外知名的光纤制造商、光器件制造商、光模块生产商和网络基础设施解决方案提供商等正在联合推进该项技术的应用。适用于 SWDM应用的宽带多模光纤（ WBMMF）已经面世并且发展迅速，该类光纤将 OM4光纤的通信窗口从 850nm扩展至 950nm，并与 OM3、 OM4光纤有很好的兼容性，也 可 具有弯曲不敏感特性。该光纤在 850nm950nm整个 100nm波段都具有的 “OM4级别 ”的带宽性能，采用 SWDM技术， 宽带多模 光纤将是 40Gb/s、 100 Gb/s甚至是 400 Gb/s高性能数据中心传输系统中的优质解决方案。 2014年 10月， TIA、 IEC、 IEEE开始 联合讨论这种新的光纤类型标准，于 2016年 6月份 率先 发布了正式的产品标准 TIA492AAAE-2016 ， 随后 IEC 60793-2-10:2017 和 ISO/IEC 11801-1:2017也 在 2017年发布 了 宽带多模 光纤的正式标准规范 ，分别将其命名为 A1a.4和 OM5。而 IEC 60793-2-10最新修订版本 正在 讨论 将该产品 的 命名 由 A1a.4变更 为 A1a-OM5。 因此有必要紧密结合国际技术发展尽快进行相关研究，为未来规范相关 国内多模 光纤 标准指标做准备。 1.3 研究内容 本研究课题对 OM5 光纤 的几何、光学、机械、环境性能进行研究，并概括介绍 OM5 光纤 的优势及其 在 短波长波分复用 领域的应用。 2 引用文 件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件， 凡是不注 日期 的引用文件，其最新版本（ 包括 所有的 修改单 ） 适用于 本文件。 GB/T 15972.20 光纤 试验方法规范 第 20部分 ：尺寸参数的 测量 方法和试验程序 光纤几何参数 （ GB/T 15972.202008， IEC 60793-1-20： 2001， MOD） GB/T 15972.21 光纤 试验方法规范 第 21部分 ：尺寸参数的 测量 方法和试验程序 涂覆层几何参数 （ GB/T 15972.212008， IEC 60793-1-21： 2001， MOD） GB/T 15972.22 光纤 试验方法规范 第 22部分 ：尺寸参数的 测量 方法和试验程序 长度（ GB/T 15972.222008， IEC 60793-1-22:2001， MOD） 2 GB/T 15972.30 光纤 试验方法规范 第 30部分 ： 机械性能 的 测量 方法和试验程序 光纤筛选 试验 （ GB/T 15972.302008， IEC 60793-1-30： 2001， MOD） GB/T 15972.31 光纤 试验方法规范 第 31部分 ： 机械性能 的 测量 方法和试验程序 抗张强度 （ GB/T 15972.312008， IEC 60793-1-31： 2001， MOD） GB/T 15972.32 光纤 试验方法规范 第 32部分 ： 机械性能 的 测量 方法和试验程序 涂覆层可剥性 （ GB/T 15972.322008， IEC 60793-1-32： 2001， MOD） GB/T 15972.33 光纤 试验方法规范 第 33部分 ： 机械性能 的 测量 方法和试验程序 应力腐蚀 敏感性参数 （ GB/T 15972.332008， IEC 60793-1-33： 2001， MOD） GB/T 15972.40 光纤 试验方法规范 第 40部分 ： 传输特性 和光学特性的 测量 方法和试验程序 衰减 （ GB/T 15972.402008， IEC 60793-1-40： 2001， MOD） GB/T 15972.41 光纤 试验方法规范 第 41部分 ： 传输特性 和光学特性的 测量 方法和试验程序 带宽 （ GB/T 15972.412008， IEC 60793-1-41： 2001， MOD） GB/T 15972.42 光纤 试验方法规范 第 42部分 ： 传输特性 和光学特性的 测量 方法和试验程序 波长 色散 （ GB/T 15972.422008， IEC 60793-1-42： 2001， MOD） GB/T 15972.43 光纤 试验方法规范 第 43部分 ： 传输特性 和光学特性的 测量 方法和试验程序 数值孔径 （ GB/T 15972.432008， IEC 60793-1-43： 2001， MOD） GB/T 15972.47 光纤 试验方法规范 第 47部分 ： 传输特性 和光学特性的 测量 方法和试验程序 宏弯损耗 （ GB/T 15972.472008， IEC 60793-1-47： 2001， MOD） GB/T 15972.49 光纤 试验方法规范 第 49部分 ： 传输特性 和光学特性的 测量 方法和试验程序 微分 模 时延 （ GB/T 15972.492008， IEC 60793-1-49： 2003， MOD） GB/T 15972.50 光纤 试验方法规范 第 50部分 ： 环境性能 的 测量 方法和试验程序 恒定湿热 （ GB/T 15972.502008,IEC 60793-1-50： 2001， MOD） GB/T 15972.51 光纤 试验方法规范 第 51部分 ： 环境性能 的 测量 方法和试验程序 干热（ GB/T 15972.512008,IEC 60793-1-51： 2001， MOD） GB/T 15972.52 光纤 试验方法规范 第 52部分 ： 环境性能 的 测量 方法和试验程序 温度循环 （ GB/T 15972.522008,IEC 60793-1-52： 2001， MOD） GB/T 15972.53 光纤 试验方法规范 第 53部分 ： 环境性能 的 测量 方法和试验程序 浸水（ GB/T 15972.532008,IEC 60793-1-53： 2001， MOD） IEC 60793-1-20 光纤 第 1-20部分：试验方法和程序 光纤几何尺寸 (Optical fibresPart 1-20: Measurement methods and test procedures Fibre geometry) IEC 60793-1-21 光纤 第 1-21部分：试验方法和程序 涂覆层几何尺寸 (Optical fibresPart 1-21: Measurement methods and test procedures Coating geometry) IEC 60793-1-22 光纤 第 1-22部分：试验方法和程序 长度 (Optical fibresPart 1-22: Measurement methods and test procedures Length measurement) IEC 60793-1-30 光纤 第 1-30部分：试验方法和程序 筛选 (Optical fibresPart 1-30: Measurement methods and test procedures Fibre proof test) IEC 60793-1-31 光纤 第 1-31部分：试验方法和程序 抗张强度 (Optical fibresPart 1-31: Measurement methods and test procedures Tensile strength) IEC 60793-1-32 光纤 第 1-32部分：试验方法和程序 涂覆层 可剥性 (Optical fibresPart 1-32: Measurement methods and test procedures Coating strippability) IEC 60793-1-33 光纤 第 1-33部分：试验方法和程序 应力腐蚀敏感 性 参数 (Optical fibresPart 1-33: Measurement methods and test procedures Stress corrosion susceptibility) IEC 60793-1-40 光纤 第 1-40部分：试验方法和程序 衰减 (Optical fibresPart 1-40: Measurement methods and test procedures - Attenuation) 3 IEC 60793-1-41 光纤 第 1-41部分：试验方法和程序 带宽 (Optical fibresPart 1-41: Measurement methods and test procedures - Bandwidth) IEC 60793-1-42 光纤 第 1-42部分：试验方法和程序 色散 (Optical fibresPart 1-42: Measurement methods and test procedures Chromatic dispersion) IEC 60793-1-43 光纤 第 1-43部分：试验方法和程序 数值孔径 (Optical fibresPart 1-43: Measurement methods and test procedures Numerical aperture) IEC 60793-1-47 光纤 第 1-47部分：试验方法和程序 宏 弯损耗 (Optical fibresPart 1-47: Measurement methods and test procedures Macrobending loss) IEC 60793-1-49 光纤 第 1-49部分：试验方法和程序 微 分模时延 (Optical fibresPart 1-49: Measurement methods and test procedures Differential mode delay) IEC 60793-1-50 光纤 第 1-50部分：试验方法 和程序 湿热 (Optical fibresPart 1-50: Measurement methods and test procedures Damp heat) IEC 60793-1-51 光纤 第 1-51部分 ： 试验方法和程序 干热 (Optical fibresPart 1-51: Measurement methods and test procedures Dry heat) IEC 60793-1-52 光纤 第 1-52部分：试验方法和程序 温度特性变化 (Optical fibresPart 1-52: Measurement methods and test procedures Change of temperature) IEC 60793-1-53 光纤 第 1-53部分：试验方法和程序 浸水 (Optical fibresPart 1-53: Measurement methods and test procedures Water immersion) TIA-455-176-A FOTP-176 IEC 60793-1-20 光纤 第 1-20部分 ：试验方法和程序 光纤几何尺寸 (Optical fibresPart 1-20: Measurement methods and test procedures Fibre geometry) TIA-455-195-A FOTP-195 IEC 60793-1-21 光纤 第 1-21部分：试验方法和程序 涂覆层几何尺寸 (Optical fibresPart 1-21: Measurement methods and test procedures Coating geometry) TIA-455-133-A FOTP-133 IEC 60793-1-22 光纤 第 1-22部分：试验方法和程序 长度(Optical fibresPart 1-22: Measurement methods and test procedures Length measurement) TIA-455-31-C FOTP-31张力法 测试光纤筛选（ Proof testing optical fibers by tension） TIA-455-28-C FOTP-28张力 法测试光纤动态强度和 动态 疲 劳参数 （ Measuring dynamic strength and fatigue parameters of optical fibers by tension) TIA-455-178-B FOTP-178 IEC 60793-1-32 光纤 第 1-32部分：试验方法和程序 涂覆层剥 离 力 (Optical fibresPart 1-32: Measurement methods and test procedures Coating strippability) TIA-455-78-B FOTP-78 IEC 60793-1-40 光纤 第 1-40部分：试验方法和程序 衰减系数(Optical fibresPart 1-40: Measurement methods and test procedures - Attenuation) TIA-455-204 FOTP-204多模 光纤带宽测试 (Measurement of bandwidth on multimode fiber) TIA-455-175-B FOTP-175 IEC 60793-1-42 光纤 第 1-42部分：试验方法和程序 色散(Optical fibresPart 1-42: Measurement methods and test procedures Chromatic dispersion) TIA-455-177-B FOTP-177 IEC 60793-1-43 光纤 第 1-43部分：试验方法和程序 数值孔径 (Optical fibresPart 1-43: Measurement methods and test procedures Numerical aperture) TIA-455-62-B FOTP-62 IEC 60793-1-47 光纤 第 1-47部分：试验方法和程序 宏弯附加损耗 (Optical fibresPart 1-47: Measurement methods and test procedures Macrobending loss) TIA-455-220-A FOTP-220 时域 法测试多模光纤微分 模时延（ Differential mode delay measurement of multimode fiber in the time domain) 4 TIA-455-160-A FOTP-160 IEC 60793-1-50 光纤 第 1-50部分：试验方法和程序 湿热(Optical fibresPart 1-50: Measurement methods and test procedures Damp heat (steady state) TIA-455-67-A FOTP-67 IEC 60793-1-51 光纤 第 1-51部分 ： 试验方法和程序 干热(Optical fibresPart 1-51: Measurement methods and test procedures Dry heat) TIA-455-234 FOTP-234 IEC 60793-1-52 光纤 第 1-52部分：试验方法和程序 温度特性变化 (Optical fibresPart 1-52: Measurement methods and test procedures Change of temperature) TIA-455-74-A FOTP-74 IEC 60793-1-53 光纤 第 1-53部分：试验方法和 程序 浸水(Optical fibresPart 1-53: Measurement methods and test procedures Water immersion) TIA/EIA-455-72 FOTP-72光纤的温度湿度变化试验程序 (Procedure for accessing temperature and humidity cycling exposure effects on optical characteristics of optical fibre) 3 缩略语 下列缩略语适用于本文件 。 BiDi 双向传输 Bidirectional transmission DMD 微分模时延 Differential mode delay EMB 有效模式带宽 Effective modal bandwidth EMBc 有效模式带宽计算值 Calculated effective modal bandwidth minEMBc 最小有效模式带宽计算值 Minimum calculated effective modal bandwidth OMBc 满注入带宽计算值 Calculated overfilled modal bandwidth SWDM 短波分复用 Short wavelength division multiplexing WBMMF 宽带多模光纤 Wide band multimode fiber 4 OM5 光纤特性 4.1 概述 OM5光纤 是一种渐变折射分布的 50m/125m多模光纤，除了满足 OM4光纤的所有要求外， OM5将短波段的通信窗口从 850nm扩展到了 850nm950nm之间， 1300nm性能保持不变，也 可 具有弯曲不敏感特性。与 OM3、 OM4光纤有很好的兼容性， 既满足现有单波长传输应用，在 短波分复用传输应用场景 更有 优势 。 4.2 几何 性能 要求 OM5光纤 的几何性能要求见表 1所示。 表 1 OM5 光纤几何性能要求 NO 指标 测试方法 要求 和测试条件 1 芯径 a GB/T 15972.20， IEC 60793-1-20， FOTP-176 50m 2.5m 2 芯不圆度 GB/T 15972.20， IEC 60793-1-20， FOTP-176 6% 3 包层直径 GB/T 15972.20， IEC 60793-1-20， FOTP-176 125m 1.0m 4 包层不圆度 GB/T 15972.20， IEC 60793-1-20， FOTP-176 1.0% 5 5 芯 /包同心度误差 GB/T 15972.21， IEC 60793-1-21， FOTP-195 2.0m 6 涂敷层直径 b GB/T 15972.21， IEC 60793-1-21， FOTP-195 250m 5m 7 涂敷层 /包层同心度误差 GB/T 15972.21， IEC 60793-1-21， FOTP-195 12.5m 8 光纤长度 GB/T 15972.22， IEC 60793-1-22， FOTP-133 测试波长为 850nm 或 1300nm，光源谱宽10nm a 测量芯 径时，应选择 850nm10nm 波长光源进行测试，并使用 100m5%长度的样品，阈值 kCORE 取 0.025。 b 具体规范要求为： 245m10m未着色， 250m15m着色后， 500m25m未着色或者着色后。 4.3 机械性能 要求 OM5光纤的机械 性能 指标要求见表 2所示。 表 2 OM5 光纤机械性能 指标 要求 NO 指标 测试方法 要求 1 筛选测试 GB/T 15972.30， IEC 60793-1-30， FOTP-31 0.69GPa 2 涂敷层剥离力 GB/T 15972.32， IEC 60793-1-32， FOTP-178 1.0N 平均值 5.0N 1.0N峰值 8.9N 3 0.5m 标距长度的抗张强度 （中值） GB/T 15972.31， IEC 60793-1-31， FOTP-28， 3.8 GPa 4 动态疲劳参数 GB/T 15972.33， IEC 60793-1-33， FOTP-28 20 4.4 光学 性能 要求 OM5光纤的光学性能要求见表 3所示。 表 3 OM5 光纤光学性能要求 NO 指标 测试方法 要求 1 850nm 衰减系数 GB/T 15972.40， IEC 60793-1-40， FOTP-78 2.5dB/km 2 953nm 衰减系数 GB/T 15972.40， IEC 60793-1-40， FOTP-78 1.8dB/km 3 1300nm 衰减系数 GB/T 15972.40， IEC 60793-1-40， FOTP-78 0.8dB/km 4 850nm 满注入模式带宽 a GB/T 15972.41， IEC 60793-1-41， FOTP-204 3500MHz km 5 953nm 满注入模式带宽 a GB/T 15972.41， IEC 60793-1-41， FOTP-204 1850MHz km 6 1300nm 满注入模式带宽 GB/T 15972.41， IEC 60793-1-41， FOTP-204 500MHz km 7 零色散波长， 0 GB/T 15972.42， IEC 60793-1-42， FOTP-175 1297nm 0 1328nm 6 8 零色散斜率， S0 GB/T 15972.42， IEC 60793-1-42， FOTP-175 0 4 1038401 ( 0840)4ps/（ nm2km） 9 NAb GB/T 15972.43， IEC 60793-1-43， FOTP-177 0.200 0.015 10 850nm 和 1300nm 点不连续性 GB/T 15972.40， IEC 60793-1-40， FOTP-78 0.2dB 11 850nm 有效模式带宽 EMBc GB/T 15972.49， IEC 60793-1-49， FOTP-220 4700 MHzkm 12 953nm 有效模式带宽 EMBc GB/T 15972.49， IEC 60793-1-49， FOTP-220 2470 MHzkm 13 37.5mm 半径 -100 圈宏弯损耗 d, e GB/T 15972.47， IEC 60793-1-47， FOTP-62 0.5dB850nm 0.5dB1300nm 14 15mm 半径 -2 圈宏弯损耗 d, e GB/T 15972.47， IEC 60793-1-47， FOTP-62 0.1dB850nm 0.3dB1300nm 15 7.5mm 半径 -2 圈宏弯损耗 d, e GB/T 15972.47， IEC 60793-1-47， FOTP-62 0.2dB850nm 0.5dB1300nm a 模式带宽测试， IEC 60793-1-41方法 C为参考测试法，应 通过 DMD测试， 使用 IEC 60793-1-41 表 1中列出的DMD权重计算得到满注入模式带宽（ OMBc），样品长度为 1000m5%。 b 测量数值孔径时，应选择 850nm10nm波长光源进行测试，样品长度为 100m5%，阈值 kNA取 0.05。 c 测量微分模时延时，应选择 850nm2nm和 953nm6nm波长光源进行测试，样品长度为 1000m5%。 对于 OM5光纤 的 DMD测试 系统 要求说明详见附录 A。 d 测量宏弯损耗时，光源的注入条件应满足 IEC 61280-4-1。 e 对于弯曲不敏感 OM5 光纤，需要满足 37.5mm 半径 -100 圈， 15mm 半径 -2 圈和 7.5mm 半径 -2 圈宏弯损耗要求；对于非抗弯 OM5 光纤，只需要满足 37.5mm 半径 -100 圈， 15mm 半径 -2 圈宏弯损耗要求。 4.5 环境 性能 要求 OM5光纤的环境性能要求见表 4和表 5所示。 表 4 OM5 光纤环境性能要求 NO 指标 测试方法 要求和测试条件 1 恒定湿热 GB/T 15972.50， IEC 60793-1-50， FOTP-160 850nm 和 1300nm 衰减变化 0.2dB/km 85， 85%R.H.， 30 天 2 干热 GB/T 15972.51， IEC 60793-1-51， FOTP-67 850nm 和 1300nm 衰减变化 0.2dB/km 85 ， 30 天 3 温度循环 GB/T 15972.52， IEC 60793-1-52， FOTP-234 850nm 和 1300nm 衰减变化 0.2dB/km 温度条件 -60 +85