OM4多模光纖

2009年8月5日, TIA標準委員會表決通過了新的EIA/TIA492AAD定義的多模光纖標準, 既業界普遍關心的OM4多模光纖。關於該光纖的標準制定，業界整整花費了三年的時間，可見其指標要求和測試是一個非常複雜的過程。目前TIA認可的這種

　１　什麼是OM4？ OM4光纖是一種激光優化型纖芯為50μm的多模光纖，目前標準確定的指標實際是一種OM3多模光纖的升級版。現在許多康寧公司在市場上銷售的OM3光纖，其實際指標已經達到OM4的標準。

目前的OM4標準與OM3光纖相比，只是在光纖帶寬指標做了提升。即OM4標準在850nm波長的有效模式帶寬（EMB）和滿注入帶寬（OFL）相比OM3 光纖都做了提高。下面的表格為具體的指標要求：

OM3光纖 OM4光纖850nm 激光性能帶寬EMB（MHz.km） 2000 4700850nm LED光源帶寬OFL（MHz.km） 1500 35001300nm LED光源帶寬OFL（MHz.km） 500 500

2　多模光纖發展的歷史

OM4光纖的發展可以追溯到20年前開發的第一根商用多模光纖。傳統上，多模光纖主要用來滿足局域網，存儲網絡，數據中心，辦公大樓佈線等對高傳輸帶寬的要求，同時又要求低成本的解決方案。相比較單模光纖的系統，多模光纖系統可以採用低成本的光收發器，連接器同時安裝成本也可以更低。但在這個階段，多模光纖的發展主要支持10M和100Mbit/s 的應用，以及今天的1G和10Gbits/s 的傳輸。

隨著更高帶寬和更高傳輸速率的需求不斷增加，光纖界也在不斷開發更高性能的多模光纖。多模性能等級按照ISO/IEC 11801的標準OM （光模式Optical Mode的縮寫）來分級：

OM1多模光纖，滿注入功率（OFL）帶寬為200/500 MHz.km @850/1300 nm (這種光纖通常為傳統 62.5/125-μm 光纖); OM2多模光纖, 滿注入功率（OFL）帶寬為500/500 MHz.km @ 850/1300 nm (這種光纖通常為普通型50/125-μm光纖); OM3激光優化多模光纖, 有效模式帶寬（EMB 激光帶寬）為2000 MHz.km ,主要用來傳輸 10 Gbits/sec 速率的信號.

現在，隨著網絡傳輸的需求發展，要求光纖能支持未來40G和100 Gbits/s的傳輸。為了滿足這一發展需求，光纖廠家開始開發基於50-μm多模光纖並能夠有更高帶寬的光纖，同時，該光纖可以充分利用850 nm VCSEL激光器技術，來降低有源設備的整體成本。這就是現在開發的OM4多模光纖標準。

OM4光纖主要用來支持高速以太網（Ethernet），光纖通道（FC）和光纖互聯（OIF）。同時在10Gbit/s系統中，可以傳輸550米，這樣，就可以用於中等距離的園區主幹和超常距離的建築物主幹。在數據中心設計中，在100米的距離內，可以支持更高速（40G和100Gbits/s 以太網，16G和32Gbits/s光纖通道）的數據傳輸要求。當然，由於其帶寬標準為4700 MHz.km（兩倍於OM3萬兆光纖），施工和設計時就可以有更大的冗餘。例如當其應用於10Gbits/s 系統時，就可以給設計人員更大的空間，允許鏈路中增加更多的CP連接點，增加了設計，施工和將來移動、增加和改變（MACs）的靈活性。

通常情況下，對於室內小於600m 的通信信道連接，採用多模光纖是最經濟的方案。可以採用下列方式對整個鏈路的成本進行分析：

對於一個典型的鏈路，光纖收發器的成本大約是光纖連接（光纖/光纜/光連接器）的十倍。雖然單模光纖的成本比多模光纖要便宜，但是單模光纖的使用需要非常昂貴的1300nm收發器，其成本大約是850nm 多模光纖收發器的2-3倍。綜合來看，一個多模光纖的系統成本要遠低於單模光纖系統。

因此，在設計系統應用時，採取系統的方法可以有效減少系統造價，增加系統的可用性。這就是我們提倡的降低系統生命週期內的總體成本（TCO）。在投資光纖佈線的時候，如果能考慮增加一些佈線的初期投資，採用更好的多模光纖，如OM4光纖，就可以保證充分利用當前的多模光纖技術（康寧公司的OM4光纖完全向下兼容OM3光纖），降低當前系統的整體造價；當系統需要升級到更高速率的系統，如40GbE和100GbE的時候，初期投資仍然受到保護，而且研究表明，這種遷移模式將更加節省成本。

總之，當傳輸速率大於1Gb/s時，採用多模光纖是一種很好的系統選擇。當系統需要更高的傳輸速率時，以下規則是我們選擇OM4光纖的指導原則：

1． 對Ethernet 用戶，當需要10Gb/s系統傳輸300m至600m時；或需要將來傳輸40Gb/s和100Gb/s，距離在100m至125m時。2． 對Fiber Channel用戶，OM4光纖將支持4Gb/s至400m, 8Gb/s至200m或16Gb/s至130m。

4 40Gb/s 和 100Gb/s 隨著帶寬需求的不斷增加，需要更高速率傳輸和開發下一代的傳輸標準。設備方面，對Ethernet 而言，10Gb/s系統已經商用，需要開發下一代40Gb/s和100Gb/s系統；對SAN系統，8Gb/s系統已經商用，正在開發的是16Gb/s 和32Gb/s 。對光纖界，則需要制定關於光纖的標準，來支持未來高速速率傳輸的要求。

5．OM4光纖標準之爭

雖然隨著OM4標準的頒佈，關於OM4光纖標準的爭議暫時畫上了句號，但其中的一些話題仍然是一些熱點的議題。

- 是否需要OM4標準

在某些光纖廠家提出設立OM4多模光纖標準的時候，質疑的聲音就非常強烈。從多模光纖標準的歷史來看，OM1->OM2->OM3的發展，每一種新的標準都是一種換代產品；而OM3->OM4，從性能上看，是一種改進，兩者象一對兄弟。從應用的角度看，OM4光纖只是比OM3光纖帶寬增加一倍，可以支持10Gb/s系統傳輸至600m時；或對將來40Gb/s和100Gb/s，傳輸距離至100m至125m。因此，沒有必要規定一種新的型號，造成用戶理解的困難。完全可以直接提高OM3光纖的標準來支持這樣的需求。但如果採用這樣的方案，許多光纖廠家由於製造技術和測試技術的限制，就會有許多生產出來的光纖達不到新的OM3標準而只能當做OM2光纖降格銷售。由於標準組織需要照顧大多數生產廠商的利益，最終決定還是要開發OM4光纖標準。

在決定開發OM4光纖標準後，爭論的焦點就轉移到具體的光纖指標上來。我們知道，多模光纖的最重要的指標是它的帶寬BW（Band Width）。帶寬的指標最終決定了傳輸數據速率和距離這兩項實際工程應用中碰到的參數。如果BW值定下來，那麼你希望提高傳輸數據速率，相應地就要減少傳輸距離；反之亦然。否則就會增加系統的誤碼率BER（Bit Rate Error），達不到系統正常工作的要求。

諺語云：沒有免費的午餐。作為用戶，都希望所採用的光纖帶寬越高越好，但從製造商而言，這些需求的滿足是需要成本的。簡單的指標參數的修改，可能會降低標準的使用性，減少光纖的性價比。因此，關於850nm 激光帶寬也是反覆修改，可見這一指標爭論的激烈程度。其修改的過程可以總結為：

- 2007年9月，ISO/IEC JTC1 SC25/WG3 會議建議850nm激光帶寬為4500MHz.km

- 同期，TIA TSB-172 Annex B 建議為4700MHz.km

- 2008年10月，兩個組織的協調報告3n856建議為4500MHz.km

另外，作為光纖製造的領導廠商康寧公司(Corning)，從用戶的實際需求出發，從綜合性價比考慮，提出了另外一個觀點：

- 自2002年發佈OM3光纖標準以來（該標準明確規定OM3光纖必須支持萬兆10Gb/s傳輸300m，任何低於支持這一鏈路長度的多模光纖都不能歸類為OM3），數據中心應用中開始大量採用這種光纖。根據美國和歐洲用戶2007年的統計，OM3光纖已經佔數據中心佈線的70%

- 新的光纖必需首先考慮數據中心用戶的實際需求。經過對數據中心光纖佈線長度的統計，>87%的鏈路長度小於150m，> 95%的鏈路長度小於200m, 100%的鏈路長度小於300m。

- 數據中心中光纖主要用於SAN，採用FC 協議的下一代數據速率為16Gb/s 和 32Gb/s。因此新的光纖只要滿足這個要求，就能解決大多用戶的需求。

康寧公司建議的帶寬標準是 3500Hz.km，當系統升級為32Gb/s時,它與4700Hz.km的光纖支持的鏈路長度幾乎一樣，可以經濟地支持用戶的需求。當然，標準的結果是照顧大多數...

- 測試標準之爭

在新的OM4標準中，大家可以看到兩個關於帶寬測試的指標。滿注入功率(OFL)帶寬和有效模式帶寬(EMB)。其實，這兩個指標是保證多模光纖在不同情況下的使用。

OFL帶寬是指收發器光源的注入面積要大於纖芯截面情況下，多模光纖的帶寬。如下圖所示：

OFL帶寬主要是為LED 光源設立的測試標準。前面提到OM1和OM2光纖主要是應用於這樣的光收發器，它們在1300nm處有最好的帶寬值500Hz.km。由於模間色散的原因，採用LED光原因，它的傳輸帶寬不可能再有大的提高。但是LED光收發器成本很低，因此，在低速率數據(<100Mb/s)網絡中，大量採用這種光纖有源設備。

在需要更高速率數據通信的時候，如果還是用上面提到的OM1 或OM2光纖，就需要使用1300nm 的DFB激光器。這種激光器通常是比較昂貴的，採用這種方案，就會大大增加整個通信網絡的成本。

VCSEL半導體激光器的出現讓人們看到了希望。它是一種基於半導體生產技術的激光器，可以大規模生產，因此可以大大降低激光器的成本。但這種激光器的工作波長在850nm，而我們上面提到的OM1和OM2光纖的最佳工作波長在1300nm。這就有必要開發最佳工作波長在850nm的，基於VCSEL激光器的多模光纖。從而誕生了康寧公司的激光優化多模光纖(Laser Optimized)，也就是TIA標準的OM3光纖。

我們前面提到OM4光纖與OM3光纖是同門兄弟，是說OM4光纖與OM3光纖一樣，也主要是用來支持VCSEL激光器工作的。

激光和LED光源是完全不一樣的，因此，它的工作帶寬的測試及衡量也不一樣。下圖是激光帶寬的測試示意圖：

激光帶寬用有效模式帶寬(EMB)來衡量，所以稱之為激光帶寬。所謂帶寬測試之爭也由此而來。目前被標準化組織採納的測試標準為EMBc和DMD兩種方法。關於著兩種方法的具體測試方法和計算公式，可以說非常複雜，甚至可以作為博士論文的課題。有興趣的同行我們可以單獨討論。康寧公司採用的是EMBc的方法對所有的光纖進行帶寬測試。

對上述兩種測試方法，可以打一個形象的類比來說明：奧運會要招募舉牌的美女，要求身高1米70以上。採用DMD方法，就是在1.70高的地方畫一根線，應聘者站過去只要超過這根線就算合格。這種方法簡單、有效，但並不能知道每個人的具體身高。如用EMBc方法，就是測量每個人的具體身高，然後根據要求挑選合格者。這種方法更復雜一些，但能夠知道每個人的具體情況。如果將來有具體要求，如需要一位身高1米75的人去做某項工作，就可以從已知數據中挑選。

實際上，在OM4制定標準的過程中，對是否需要制定更嚴格的OFL測試指標，各參與廠商也是各抒己見，這裡我就不詳細說明了。

6．本是同根生，相煎何太急

OM4與OM3光纖可以說是同門兄弟，那麼是不是隨著OM4光纖的標準的推出，OM3光纖就會退出舞臺呢？

這種擔心我認為是多餘的。從前面的應用分析可以看到，由於目前在局域網（LAN）的需求主要是10Gb/s主幹，OM3 的300m 鏈路長度已經可以滿足大多數的需求。而超過10Gb/s 的需求，會主要發生在數據中心。如果採用串行通信，當數據速率為32Gb/s是，OM3與OM4光纖仍然不分伯仲。

另外，如果用OM3光纖，採用並行光學技術，仍然可以達到100Gb/s傳輸300m的要求，遠高於OM4串行傳輸的鏈路長度。下面主要介紹一下這種技術：

並行光學技術（包括850nm VCSEL矩陣和OM3光纖）為以太網和光纖通道（Fiber Channel）提供了低成本、高速率的解決方案。並行光傳輸技術採用空分多路複用，即將高速信號分配給幾根光纖同時發送和接受；在接受端，信號經過解複用還原成高速信號。在整個並行光信道中，需要採用多芯連接器MTP連接。

2008年1月，電氣與電子工程協會成立了IEEE 802.3ba任務組，研究40和100GbE數據傳輸速率指南。項目授權（PAR）內容包括採用激光優化50/125 μm多模光纖（OM3）傳輸至少100米的要求。其中，OM3光纖是唯一列入PAR計劃的多模光纖。

在五月份的IEEE會議上，採納了幾個基本方案，作為建立40和100GbE標準初始草案的基礎。基於OM3光纖，並採用並行光學技術的40和100GbE傳輸技術作為基準方案被採納。這個方案把40和100GbE接口，分別定義為每個方向4根光纖的4×10GbE信道（圖2），

和每個方向10根光纖的10×10GbE信道（圖3）。

為保證佈線基礎設施符合將來的40和100GbE要求，必須考慮光纖帶寬、時延和連接器插入損耗，從而保證使系統達到採用OM3多模光纖傳輸距離100米的要求。

OM3是目前唯一適用於40和100GbE系統的多模光纖。該光纖優化於850nm波長傳輸，具有最小2000MHz*km 的有效模式帶寬。康寧公司採用最小模式帶寬(minEMBc)來計算上述帶寬值，與差分模式延遲（DMD）技術相比，它為OM3光纖提供了更準確的測量。有了minEMBc，就可以得到一個真實、可測量的值，從而可靠地衡量系統性能。

7.走在標準的前面

雖然OM4多模光纖的標準才剛剛頒佈，做為光纖界的龍頭老大康寧(Corning)公司已經能夠提供ClearCurve 抗彎曲型OM4多模光纖了。這種光纖，不僅性能指標滿足前面所述OM4的標準，由於採用了新的光纖結構設計和製造標準,還具有非常好的抗彎曲性能。如果談技術上的飛越，我認為這才是標準組織應該儘快確定的下一代光纖。

隨著傳輸速率的需求越來越高，對佈線"連通性"的要求也更嚴格。新的佈線系統不是僅僅滿足施工驗收時是否通過，還要求整個系統必須要有很大的功率冗餘，保證過小光纜彎曲而導致的額外衰減不會影響系統性能。

光是沿直線傳播的。當你彎曲一根傳統光纖，光就會在彎曲處洩露出去，這就是我們所說的"宏彎損耗"。當彎曲半徑減小，從纖芯所洩漏的光的總量就會增加。光信號衰減，將導致傳輸誤差的產生。見圖4

由於多模光纖彎曲半徑的限制，在某些場合下（如數據中心和FTTD），用戶不得不面臨兩難的選擇：低成本/高帶寬性能與可靠性。新型抗彎曲多模光纖，能在不需要對標準現場安裝，終端監控或維護程序作出任何調整的情況下，提供超彎曲狀態下的卓越帶寬性能。

在常規情況下，要改善多模光纖的抗彎曲性能非常困難。如果把光都集中在纖芯傳輸，將對光纖的帶寬產生不利影響。獲取高帶寬又抗彎曲的多模光纖，就要求技術和製造工藝的大的突破。

康寧公司(Corning)通過採用光纖折射率"溝槽"技術，將多模光纖大部分的模式控制在纖芯傳輸，就可以提高光纖的抗彎曲性能。採用該技術，當光纖受彎曲時，原來容易漏光的高階模式就會被限制在纖芯，承載的數字信息就不會受損失。反映到用戶端，就不會有丟包或數據損害。

我們可以這樣做一個比喻：想象多模光纖纖芯是一條路，而模群是車隊，車隊的車輛正平行行駛在多車道高速公路上。目標是使它們儘可能多的同時到達終點。這相當於多模光纖的高帶寬和低耗損。

即使道路出現急轉彎，在中線道的司機也試圖保住自己的位置。另一方面，外道的車輛如果想追上車隊其他的車輛，就必須在彎裡得到更大位移。這直接導致他們必須在每條賽車線加大油門，在此過程中，有些車輛失去了牽引力滑出高速公路路面而未能到達終點

彎越多，就意味著越多的外道車輛滑出賽道。採用傳統50-um多模光纖時，每個彎都意味著更多的光從外模流失以及更多信號流失。

新型抗彎曲多模光纖的結構，類似於在高速公路路面上設置防護欄。這些障礙物有助於防止外道車輛漸漸偏離賽道。因此，在有效載荷不變的情況下，他們有能力與其他車輛同時到達目的地。

抗彎曲多模光纖最大提高了系統的可靠性，儘可能地把系統停機時間降到最小，並且大大降低了成本。通過設計更小更輕的光纜，硬件以及設備，可以創建更小，更密集，更環保，更加易於安裝的數據中心和企業網絡。

通過比傳統多模光纖更嚴格的彎曲測試和具備更低信號耗損高要求佈線線路的雙重考驗，抗彎曲多模光纖通過把便於處理及安裝的激光優化多模光纖打包的優勢傳遞給每個帶寬頻率，使光纖使用範圍更廣，並且提供比銅纜更穩健的系統性能。

結束語

隨著OM4多模光纖標準的頒佈，我們會看到越來越多的用戶關心他們的網絡是否能夠採用這種光纖。作為布纖行業的領導廠商，康寧公司 （Corning）已經預見到了這個趨勢，並且 早已經向用戶提供了這種帶寬為 的光纖，主要用於數據中心中需要10Gb/s超出300m的情況。

根據前面的分析，用戶可以清楚的瞭解什麼情況下采用這種光纖會帶來更高的性價比。另外，需要特別說明的是，OM3，OM4光纖所強調的帶寬指標，它的測試是非常複雜的；目前還只能在實驗室和工廠內進行產品測試，還沒有辦法在現場做產品驗收和工程驗收測試。所以，該指標的保證完全基於廠家的測試結果，由廠家來保證的。一個佈線系統，尤其是光纖佈線系統，往往需要保證20年到25年，那麼選擇能夠提供產品和技術保障的廠家對最終使用者來說非常重要。可以說，只有那些專注在這個行業，不斷進行技術創新的公司，才能真正做到這份承諾。

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關鍵字: 經濟 通信 電子工程