By Eric R. Pearson, CFOS/S/C/T/I; Pearson Technologies
光纤通信是一项了不起且令人印象深刻的技术。很明显，这项技术还没有完全成熟。相反，通过聪明和天才级别的成就，光纤技术通过一系列性能改进而发展。
要了解这一令人印象深刻的演变，可以将 1970 年代中后期的单光纤系统功能与现在进行比较（表 1）。如果没有本系列中介绍的光纤性能改进，就不可能有今天的功能。
表1
本文是该系列文章中的第一篇，概述了光纤、电缆、连接器、拼接、无源设备和光电子从最初到当前的发展。
多模光纤演进5个阶段
在本文中，我们概述了光纤的发展，重点是多模光纤。高锟博士发现了通过玻璃纤维进行长距离传输的潜力。在 1966 年的一篇论文中，他确定了玻璃光纤中高功率损耗率（衰减率）的原因，这是限制光纤用于通信的一个重要因素。他确定这种高速率是由于玻璃中的杂质造成的，如果去除这些杂质，就可以远距离传输。这篇论文标志着光纤通信的开始，并为高锟博士赢得了诺贝尔奖，高琨也在光纤传输领域的研究成就被誉为“光纤之父”。
在美国，康宁玻璃厂（现为康宁公司）和 AT&T 注意到了这一点。高科技玻璃公司康宁和通信公司 AT&T 实现了光纤通信与其现有业务之间的显着协同效应。
光纤发展的第一步是认识到当中心（纤芯）的光速低于外部区域（包层）的光速时，光纤可以沿其长度传输光（图 1）。在这种情况下，包层通过反射将光限制在纤芯中（图 2）。这与我们在湖面上看到天空反射的机制相同：空气中的光速高于水中的光速。
图1
第 2 步是选择具有不同速度的两种玻璃成分。这种选择导致了第一种光纤类型，阶跃指数 (SI)，之所以这样称呼，是因为光速在纤芯-包层边界处表现出阶跃变化（图 1）。听起来很简单，不是吗？
没错，直到有人试图制造这种光纤。光纤在 2000° C 下形成并冷却至室温。这两种不同的组合物具有不同的收缩率。当纤维从 2000°C 冷却，高于钢的熔化温度时，这两个区域以不同的速率收缩。如果这些不同的速率没有得到适当的平衡，光纤的外部就会产生正应力。在表面上有正应力时，轻微的划痕或其他损坏都会导致光纤易碎。为了理解这一点，可以比较一个被划伤并弯曲的光纤板和一个被划伤但没有弯曲的光纤板。弯曲的钢板会折断;另一个则不会。就像一个划伤和弯曲的板，脆弱的光纤不会是一个商业上成功的产品。
在第 3 步中，为了避免脆弱的光纤，聪明的科学家和工程师改变了纤芯的组成，将一些氧化物分子替换为那些可以保持速度差异并导致表面压缩的氧化物分子。 这是纤维设计精妙之处的一个例子：它是分子水平的设计。
工程师首先选择简单的玻璃成分，以产生所需的光速变化。这些组合物在纤维表面产生正应力。对于核心，科学家们添加了其他分子尺寸减小的玻璃，以将表面应力改变为压缩，而不会失去所需的速度差异。这种光纤可以在不脆弱的情况下生产。但核心的单一组成导致带宽不足以支持足够的传输距离。
这种不足是由多种因素造成的，其中之一是光源：它在与光纤轴成一定角度的范围内发射光线。由于这个角度，不同的光线穿过纤芯的路径不同（图 2），因为光以直线路径传播，除非路径中的条件发生变化。不同的路径导致这种光纤类型的标签为：多模，表示不同的光线可以通过多条路径穿过纤芯。
这些不同的路径导致多个路径长度，进而导致光纤端的多个到达时间。多次到达时间会导致光脉冲在穿过光纤时连续展宽或扩展。这种传播的技术术语是分散。图 2 中的色散是五种类型中最大的。
图2
过度时，脉冲扩展会导致连续脉冲相互干扰，从而限制带宽和传输距离。由于路径长度不同，SI 光纤中的色散导致带宽和传输距离不足以满足所需的通信用途。
在第 3 步中，聪明的科学家将单一核心成分替换为多个成分。这种光纤被称为渐变折射率或 GI 光纤，因为光速从中心到包层发生变化或渐变（图 3）。
核心中心的成分具有最低的光速。围绕这个中心构图，工程师们添加了多个构图。在随后的每次合成中，光速都在增加。因此，当光线远离光纤中心并经历增加的路径长度时，它们经历的光速会逐渐增加。不同路径长度的补偿结果。
通过多种组合，行进更长路径的光线以更高的平均速度行进。这种增加的速度减少了光线到达时间与增加的路径长度的差异，从而使光纤的带宽和传输距离足以满足所需的通信用途。
理解这种补偿的一种简单方法是仅考虑两束光线，一束平行于光纤轴传播，另一束以与轴的最大角度传播。平行于轴行进的射线以最低速度行进最短距离。以最大角度行进的射线以最高平均速度行进最长距离。
图3
这种 GI 光纤被称为标准 GI、OM1 和 OM2，具体取决于纤芯直径。组合的数量从大约 100 开始，现在增加到 2500，都在 25µ 核心半径内。同样，这听起来很简单，不是吗？
没错，直到有人试图制造这种纤维。这种纤维制造起来并不简单，至少有两个原因。第一个原因是需要沿光纤长度保持 2500 中的每一个恒定。 2500种成分，每个成分层的厚度为0.01μ，是人类头发标称厚度的1/7500！
此外，每种组合物的厚度必须沿整个纤维长度恒定。光纤长度从约 5 公里开始，现在至少为 1500 公里，光纤长度高达 7500 公里。要欣赏工程师和科学家的这一成就，请考虑在 1500000米范围内保持恒定成分和恒定层厚度为 0.01μ 所需的纤维过程控制的复杂性！
这种光纤不容易生产的第二个原因是需要在包层表面保持压应力状态。早些时候，我们了解到每种化学成分都有不同的热收缩率。必须选择这些成分中的每一个，最多 2500，以便表面相对于核心被压缩。在这种应力状态下，光纤不会变得脆弱。
但是必须进行这些调整以同时保持表面压缩和路径长度补偿。您可以开始看到设计和生产这种光纤的复杂性：调整成分以保持补偿并再次调整以保持表面的压缩。并根据需要重复。
从 1970 年代末到 1990 年代中期，GI 光纤满足了高达 100 Mbits/sec 比特率的距离和带宽要求。随着带宽需求的增加，100 Mbits/sec 变得不够用。
这种不足是由于 GI 纤维上使用的光源造成的。这些光源，即发光二极管 (LED)，不足以满足下一个传输目标 1000 Mbits/sec 及以上的比特率。对于这种更高的带宽，光纤传输需要不同类型的光源。这种类型是垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
LED 和 VCSEL 之间的显着区别在于发光区域的直径。这个区域，即光斑尺寸，对于 LED 来说是 50μ - 200μ； 30µ，用于 VCSEL（图 4）。较小的 VCSEL 光斑直径导致大部分光停留在光纤的中心，从而减少路径长度差异（色散）。
图4
在 VCSEL 出现之前，GI 光纤在整个纤芯直径上分级，通常为 50µ 以补偿路径长度差异。这种分级导致中心附近的分级不够精确，无法使 VCSEL 传输到可接受的距离。
这种不足导致需要对中心附近的多模光纤进行分级，以增加带宽为 1000 Mbits/sec 以上的传输距离。以这种方式分级的光纤称为激光优化 (LO)。最终，光纤制造商生产了三个等级的 LO 光纤：OM3、OM4 和 OM5。这些光纤支持传输，如表 2 所示。
在光纤发展的这个阶段，光纤具有刚刚列出的多模功能。虽然 VCSEL 的发展停滞在 10 Gbits/sec，但传输要求继续增加到 40 和 100 Gbits/sec。这种增长是否意味着多模光纤的终结？科学家和工程师太聪明了，肯定不允许这样的结局。
在第4步中，聪明的科学家和工程师开发了一种解决方案，能够以高于 10 Gbits/sec 的传输速率继续使用多模光纤：并行传输。在并行传输中，大于 10 Gbit/sec 的信号被多路分解为并行的 10 Gbit/sec 路径，因此得名。解复用的信号在单独的光纤上传输，信号在接收器处复用。不是一对光纤，传输和接收各一根，40 Gbits/sec 需要 4 对； 100 Gbits/sec，10 对。
并行传输的动机是避免因改为单模传输而增加的成本。单模传输比多模传输要贵得多。这方面的一个例子在千兆以太网收发器中很明显：曾经，多模收发器约为 70 美元/端；单模，超过 300 美元。
表2
聪明吗？确实。但是并行传输至少有两个缺点。第一个缺点是增加了复杂性。 40 Gbits/sec 需要 4 个，而不是每个传输路径一对； 100 Gbits/sec 需要 10。保持极性，即避免错误连接，使用 8 或 20 根光纤比使用两根光纤更复杂。
第二个缺点是电缆桥架体积的消耗：并行传输电缆比双纤电缆大，有两个后果：电缆桥架很快填满和/或桥架需要增加尺寸和成本。最小化托盘尺寸和成本是数据中心设计的重要目标。因此，虽然并行传输扩展了多模光纤的使用，但它也有缺点。
在步骤 5 中，工程师解决了并行传输的缺点。他们设计了一种 LO 光纤，可以在一对光纤上实现 40 或 100 Gbits/sec 的传输，而不是分别为 4 或 10 Gbits/sec。这种被命名为 OM5 的光纤允许在同一根光纤上传输 4 个中等间隔的波长。多个中等间隔波长的传输称为粗波分复用 (CWDM)。
由于 VCSEL 以 10 Gbits/sec 的速度传输 4 个波长，因此可以通过 1 对光纤进行 40-Gbit/sec 传输。当 VCSEL 发展到 25 Gbits/sec 时，通过 1 对光纤进行 100 Gbit/sec 传输成为可能。
总结
对带宽不断增长的需求导致了 5 步演进（表 3）。
当不断增长的需求超过了光纤能力时，聪明而富有创造力的工程师和科学家们改进了纤维性能以满足这一需求。毫无疑问，在作者看来，他们的成就是惊人的和令人印象深刻的。如果说其中一些成就是天才级别的，那就轻描淡写了。
表3
下一步是什么？
对增加带宽的需求不断增加，从而产生了对光纤的需求，使带宽和传输距离超过多模光纤所能支持的范围。
未完待续……
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