数据中心已经成为现代生活的引擎，不断增长的网络信息通过数据中心高速传输和存储。数据中心内部的大部分连接距离都很短，从几米到几百米不等。在这些短距离高速数据通信中，以垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 为核心部件的多模光纤和光学模块得到了广泛的应用。与单模传输方案相比，多模方案使用低成本，低功耗的激光器来实现光纤与激光器之间的快速高效耦合。多模光纤可以实现比铜缆更高的传输速率或更长的传输距离，以及比单模光纤系统更低的成本。目前，数据中心的内部连接速率已达到100 Gbit/s，400 Gbit/s指日可待。业界一直在开发新型多模光纤以提高其性能，包括在单根光纤中实现波分复用的宽带多模光纤技术；和支持更长传输距离的长波多模光纤。此外，为了支持高密度、小型化的连接，并提高数据中心空间利用率、散热效率和电缆管理效率，具有抗弯性能的多模光纤也得到了迅速发展和部署。本文将结合多模光纤的技术原理和光模块技术的演变，探讨支持高速光收发器的多模光纤的发展趋势。
1.多模光缆的特点及应用
云计算的发展促进了超大规模数据中心的发展，形成了不同于传统企业数据中心的发展趋势。无论是国内还是国际，基于云计算服务的超大规模数据中心用户的服务器端口速率演进明显快于传统企业数据中心。传统企业将稳定使用OM4多模光缆,并且超过90% 的系统链路长度小于100m。
图1传统企业数据中心中OM4系统的长度分布
但是，超大规模数据中心用户选择的单模光缆较多，70% 系统链路长度超过100m。
图2超大规模数据中心单模系统长度分布
超大规模数据中心的发展提高了单模光缆的利用率，但多模光缆仍有其独特的优势。这些优点是，使用成本更低的光收发器模块、更低的功耗以及传输距离可以覆盖数据中心中的大部分链路，因此基于多模光缆而且多模光模块对客户的吸引力还是很大的。
2.850nm多模光缆的带宽
与单模光纤系统不同，多模光纤系统的传输距离和速度受到多模光纤电缆带宽的限制。为了支持高速系统的较高传输距离，需要增加多模光缆的模式带宽。多模光缆的设计通常采用分级索引的a-profile，以减少模群延迟，实现高带宽:
其中，rO为纤芯半径，∆ 0为纤芯相对折射率变化的最大值，可以表示如下:
其中，nO是纤芯的中心折射率，n1是包层的折射率。
选择适当的a值，可以在一定的波长范围内优化多模光纤电缆的模式带宽。图3显示了当850波长的a值1% 变化时50μm多模光纤电缆的带宽分布。当光纤的a值处于最佳位置时，带宽超过13 GHz. km。该图还反映了多模光纤电缆的带宽对a值非常敏感。为了达到最大带宽，需要非常精细地控制一个值 (核心折射率)，否则，在制造过程中芯线轮廓中的各种缺陷将影响多模光纤电缆的实际带宽。
图3当850 nm波长的a值变化1% 时，50 µ m多模光纤电缆的带宽分布
随着光缆设计和制造技术的进步，多模光缆的带宽得到了很大的提高。表1显示了不同类型的标准多模光纤电缆。62.5 µ m多模光纤电缆具有更高的数值孔径和更大的纤芯，可以将发光二极管光源 (LED) 耦合到光纤中，并且支持以10 Mbit/s甚至100 Mbit/s的速率2千米。数据传输。随着以太网标准和低成本850 nm vcsel的发展，芯直径为50 µ m的多模光纤电缆在市场上更加受欢迎。光纤具有较低的模态色散和较高的带宽，VCSEL的光斑尺寸和数值孔径小于LED，激光可以很容易地耦合到50 µ m光纤中。通过优化光纤制造工艺并采用先进的折射率控制技术，50 µ m多模光纤电缆已从OM2 (500 MHz。公里) 至OM3 (2000兆赫。km)，现在已经发展到OM4 (4 700 MHz。公里)。
对于使用850 nm VCSEL的多模光纤系统，进一步增加OM4多模光纤电缆的带宽将无法使光模块传输更长的距离，因为系统带宽取决于光纤电缆的有效模式带宽和色散(与VCSEL激光器的线宽和光纤波长有关)。如果需要增加系统带宽，除了光纤电缆的有效模式带宽外，还需要优化色散值。可以通过差模延迟 (DMD) 多模光纤电缆或具有较窄线宽的850 nm VCSEL或在具有较低色散的长波区域中工作来补偿部分色散。
纤芯的最大相对折射率 (∆ 0) 也会影响最大带宽。因为带宽与1/2成比例，如图4所示，当核心的 ∆ 0从1% 下降到0.75% 时，带宽将增加一倍。但是减少纤芯的 ∆ 0会增加弯曲损耗，因此有必要优化纤维结构设计以提高其弯曲性能。
图4多模光纤的带宽随纤芯的相对折射率而变化
3.弯曲不敏感的多模光纤电缆
在数据中心应用中，弯曲不敏感的多模光纤电缆的使用越来越广泛。它可以优化光缆，硬件和设备的设计，以节省更多的空间，具有更好的冷却效率，更方便的连接和电缆管理。图5显示了弯曲不敏感的多模光纤电缆的折射率分布设计。芯为渐变折射率，包层具有低折射率凹槽。该凹槽降低了包层中的光功率，可以防止光信号的泄漏，从而提高了光纤电缆的弯曲性能。在光纤电缆设计过程中优化芯线和凹槽尺寸，以实现弯曲性能与标准多模光纤电缆兼容性之间的平衡。通过合理的芯和凹槽设计，多模光缆可以实现OM4级高带宽和低弯曲损耗。图6示出了在850 nm处测量的弯曲损耗的比较。弯曲不敏感的多模光纤电缆的宏观弯曲损耗比常规标准多模光纤电缆低10倍以上。
4.下一代多模光缆的发展
目前850nm多模光缆的最高模带宽是OM4光纤，可以支持100G系统的100米传输。如果进一步增加模式带宽，则需要对折射率分布进行更精确的控制，这对生产工艺提出了更高的要求，并且对产品的成品率有更大的影响。另一方面，系统总带宽受到光纤模式带宽和光纤色散两个因素的限制。模式带宽的单次增加限制了系统传输性能的提高。这是因为受当前使用的vcsel线宽的影响，多模光缆色散已成为影响速率和链路距离的最重要限制因素。如果要提高系统传输速率或传输距离，通常可以使用两种方法: 使用单模光缆和单模激光器; 或者仍然使用多模光缆，但是使用更窄的线宽激光器来限制多模光纤电缆的入射模式。这两种方法的缺点是需要更昂贵的激光器，并且光纤耦合过程需要更高的对准精度，这将导致更高的光模块成本和连接成本。因此，有必要改进多模光缆技术，以实现更高容量和更长距离的传输。新型多模光纤电缆的研究主要集中在以下几个方向。
4.1长波多模光纤电缆
长波优化的高带宽多模光纤电缆 (980 nm/1 060 nm或1 310 nm) 与光源 (如长波VCSEL) 相结合是实现长距离和高速传输的可行方案。长波多模光纤系统保留了传统850纳米多模光缆的低耦合损耗和易对准的优点，玻璃纤维具有较低的色散和衰减值。如图7所示，玻璃纤维的色散和损耗随波长而变化。在1060纳米处，与850纳米相比，色散和损耗减少了一半。在1310 nm处，色散几乎为零，损耗仅为850 nm的20%。工作在长波区域的低损耗低色散多模光纤系统可以实现更高的速度和更长的传输距离。近年来的一系列实验结果也验证了这一结论: 1310nm多模光缆结合1310 nm硅光模块实现了超过820m的传输距离，而1060nm多模光纤电缆和1060nm VCSEL激光器的组合，实现了超过500m(以上实验均为100G速度)。
图7多模光缆的色散和损耗
4.2宽带多模光纤电缆
基于IEEE802.3ba的40G/100G标准，多模光纤光缆40g的传输每对光纤光缆采用4*10Gbp = 40Gbps，以支持10Gbps。它需要4根光纤电缆来传输和接收，总共8芯光纤电缆。100G使用4根光纤电缆，每根发送和接收4*25Gbps = 100G，总共使用8芯光纤电缆。400 Gb/s的传输速率需要16对32芯光缆，占用了大量的光纤资源。该行业正在探索使用多波长多路复用来减少使用的光纤数量。
目前市场上有两种基于多波长复用技术的产品。一种是BiDi (双向) 技术。如下图所示 (以40g为例)，光模块具有两个20 gbps双向通道，并且每根光纤都具有发送和接收的功能 (多模光纤电缆支持850nm和900nm波长)，最终实现了40g传输两根光纤电缆，而且不需要安装额外的MTP跳线。值得注意的是，由于BiDi光纤介质转换器的每个光纤都发送和接收信号，因此它不支持端口分支功能。另一种技术是短波分复用 (SWDM) 技术。与BiDi类似，SWDM只需要一个双核LC双工连接。不同的是，SWDM需要在850nm和940nm之间的4种不同波长上工作。一根光纤用于传输信号，另一根用于接收信号。
图8 40GBiDi光模块和光路图
图9 SWDM模块的光路图
通常仅针对850 nm优化OM3/OM4的常规光纤带宽。为了支持SWDM光模块的工作模式，有必要对940 nm处的光纤性能进行量化。因此，电信行业协会 (TIA) 创建了一个工作组，2014年编制 “宽带多模光纤电缆 (WB MMF)” 相关指南，以支持SWDM传输。WB MMF的TIA-492AAAE标准已于2016年6月发布。宽带多模光缆实际上是一种具有扩展性能的OM4光纤，因为宽带多模光纤在850纳米波长下仍然要满足emb ≥ 4700 MHz·km的OM4光纤的带宽要求，并规定在953 nm波长下的EMB ≥ 2470 MHz·km。2016年10月年，国际标准组织将宽带多模光纤命名为OM5光纤。
表2: 不同类型光纤的传输距离 (m) 和光纤介质转换器类型
注1: 距离表示光纤介质转换器制造商发布的参数; 一些交换机供应商提供不同的参数。
注2: 标有 * 的项目可以实现更长的传输距离，并使用市场上存在的一些连接解决方案。
表2比较了匹配不同光学模块的不同光纤 (OM3/4/5) 的传输距离。使用OM4光纤的BiDi和SWDM可以在40G时分别传输150m和350m，100G模块OM5可以支持150m传输的BiDi和SWDM光模块。相比之下，OM3和OM4的传输距离为70m和100m，但该距离对于多模式解决方案的大多数应用场景来说已经足够了。图10列出了基于OM4光纤在100米下以各种速度的光学超越模块解决方案。OM4可以支持从40g到400G的多种光模块解决方案 (如100G SR4、100GBiDi、400GSR4.2、400GSR8等)。在实际应用中，应结合应用场景选择合适的多模光纤。例如，在端口分支需要SR4/eSR4光模块的场景中，OM5和OM4的性能基本相同，因此OM4是一种更具成本效益的解决方案。对于以100G或更高的速率传输距离超过100 m的链路，OM5/SWDM组合可以显示其在长距离传输中的优势。
图10基于OM4的40/100G/400G解决方案，传输100m
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