多模光纤有效模式带宽与高速以太网传输能力

多模光纤是数据中心机房内部、园区楼宇之间以及部分工业现场里使用最普遍的短距传输介质。它的传输能力主要由带宽决定，而带宽又与光源类型、模式激励方式和光纤折射率剖面的精度相关。随着以太网速率从1G一路提升到100G乃至400G，光纤标称的有效模式带宽（EMB）逐渐成为选型和链路设计里最核心的一项参数，下面就顺着这条线索梳理一遍。

一、多模光纤模式色散与带宽的形成

多模光纤的纤芯直径为50 µm（OM2及以上等级），在850 nm波长下可以同时传输数百个导模。不同模式群的群速度并不相同，同一个光脉冲进入光纤后，各模式到达终点的时间有先有后，脉冲因此展宽，这种现象称为模式色散。它是多模光纤带宽受限的主要原因，比材料色散和波导色散的影响都要大。

现在的多模光纤都采用渐变折射率剖面，折射率沿半径方向近似按抛物线下降，剖面指数α接近2。光线在纤芯边缘走的路径更长，但那里折射率低、传播速度更快，两者互相补偿，各模式群的传输时间就趋于一致。与阶跃折射率光纤相比，带宽能提高一个数量级以上。带宽与长度大致成反比，常用带宽长度积来表示，单位是MHz·km。比如2000 MHz·km的光纤，在300 m链路上对应的带宽约为6.7 GHz，而10.3125 Gb/s的NRZ信号，一般需要7 GHz左右的带宽余量，两者放在一起看，就能理解为什么不同速率对应的标准距离各不相同。

二、有效模式带宽的测量与表示

早期多模光纤使用LED光源，它会激励纤芯里几乎所有的模式，这时的带宽称为过填充注入带宽（OFL）。VCSEL激光器的光斑较小，只激励一部分模式，OFL就不能准确反映实际使用时的带宽了，于是引入了有效模式带宽，也就是EMB。

EMB要通过差分模式时延（DMD）来测定，测量方法在IEC 60793-1-49和TIA-455-220中都有规定。具体做法是用一根约5 µm的单模光纤作为探针，在多模光纤纤芯的半径方向上按1 µm或2 µm步进，逐点记录脉冲的到达时间。得到的DMD曲线再用一组权重函数模拟VCSEL的各种激励状态，计算出的最小值就是该光纤的标称EMB。这里多说一句，同样是OM4光纤，OFL标称3500 MHz·km，EMB标称4700 MHz·km，两个数字对应的光源条件不同，并不矛盾。

三、OM系列光纤的带宽与衰减参数

OM1为62.5/125 µm，850 nm和1300 nm的OFL带宽分别为200和500 MHz·km。OM2为50/125 µm，两个波长的OFL带宽均为500 MHz·km。OM3、OM4、OM5都属于激光优化的50/125 µm光纤，850 nm的OFL带宽分别为1500、3500、3500 MHz·km，EMB分别不低于2000、4700、4700 MHz·km。OM5在953 nm波长下的OFL带宽为1850 MHz·km，EMB为2470 MHz·km，这也是它能支撑短波分复用的原因。

衰减方面，多模光纤在850 nm的最大值约为3.0 dB/km，在1300 nm约为1.5 dB/km。护套颜色在ISO/IEC 11801和TIA-568.3-D中有推荐，OM3和OM4通常为水绿色，OM5为青柠绿色，有些OM4产品也会使用紫红色来区分。颜色只是辅助识别，实际等级还是要以光纤参数和产品标识为准。

四、不同以太网速率下的标准传输距离

1000BASE-SX在OM2和OM3光纤上都可以达到550 m。10GBASE-SR在OM2上为82 m，OM3上为300 m，OM4上为400 m。25GBASE-SR在OM3和OM4上分别为70 m和100 m。40GBASE-SR4使用4对光纤，每路10 Gb/s，OM3上为100 m，OM4上为150 m。100GBASE-SR4同样是并行光学，每路25 Gb/s，OM3上为70 m，OM4上为100 m。可以看出，单通道速率每提高一档，同一光纤等级对应的距离会缩短一些，这是因为高速信号对模式色散和光源谱宽更为敏感。

这些距离的前提是链路总损耗在规定范围内。以100GBASE-SR4为例，OM4光纤上100 m对应的信道插入损耗约为1.9 dB，其中包含光纤本身的损耗以及各个连接点的损耗。预算这么紧，连接器的选择就更讲究了，一般会采用单对损耗不高于0.35 dB的低损耗规格。

五、短波分复用与并行光学的演进

要在不增加光纤数量的情况下提升速率，一条路径是并行光学，也就是用MPO连接器一次接入多对光纤，40G和100G即采用MPO-12中的8芯。另一条路径是波分复用。100GBASE-SWDM4是行业联盟制定的方案，使用850、880、910、940 nm四个波长，每个波长25 Gb/s，只需一对光纤，通过LC双工接口连接，OM3、OM4、OM5上的距离分别为75 m、100 m、150 m。

400GBASE-SR4.2则是并行与波分复用相结合的做法，使用850和910 nm两个波长，每个波长50 Gb/s PAM4，仍走8芯MPO，在OM4上为100 m，在OM5上为150 m。两种方案都需要光纤在850到940 nm范围内保持足够的带宽，OM5就是围绕这一需求制定的。它的纤芯尺寸依然是50/125 µm，所以和OM3、OM4是向下兼容的，混合布线时可以使用同样的连接器和熟悉的施工方式。

六、快问快答

Q：AI算力集群内部的400G互联，多模光纤能覆盖多远的距离？

A：机柜之间、相邻排之间的互联距离通常在几米到几十米，多模光纤完全在覆盖范围内。400GBASE-SR8在OM4上的标准距离为100 m，400GBASE-SR4.2在OM4上为100 m，在OM5上为150 m。近年单通道100 Gb/s的短距接口开始推广，OM4上的标准距离在100 m左右，OM3则会更短一些。相比单模方案，多模光纤配合VCSEL光源，功耗和成本都更低，在规模庞大的服务器集群里，这一点会被放大，所以短距场合依然大量采用。

Q：OM4光纤标称的OFL带宽3500 MHz·km和EMB带宽4700 MHz·km，两个数字分别代表什么？

A：OFL是过填充注入条件下的带宽，模拟的是LED这类会激励全部模式的光源，测量条件固定，结果稳定。EMB则由DMD测试结果结合一组VCSEL权重函数计算得出，代表激光光源激励下光纤能够提供的最小带宽。由于激光光源只激励部分模式，而激光优化光纤在这些模式上的时延差被控制得更小，所以EMB数值大于OFL。选型时，针对850 nm VCSEL的高速以太网，以EMB为主要依据，同时留意生产厂家提供的DMD测试报告或者符合性声明。

Q：原来布放的OM3光纤，升级到25G或100G之后还能继续使用吗？

A：可以继续使用，只是要注意距离。OM3光纤在25GBASE-SR和100GBASE-SR4下的标准距离都是70 m，对于大多数机柜列内和相邻机房之间的链路已经够用。升级时更多要考虑接口形式，25G仍然是LC双工，100G则要换成MPO-12的并行接口，需要检查配线架和跳线的极性设置，以及每一段链路的总损耗是否落在1.8 dB左右的预算之内。如果链路距离在70 m以上，可以选择将主干部分更换为OM4，跳线部分保持不变。

Q：OM5光纤的纤芯尺寸和OM4完全一样，它是如何在不增加光纤数量的前提下拓展带宽的？

A：OM5和OM4的物理结构相同，都是50/125 µm渐变折射率光纤，区别在于折射率剖面的控制精度更高，使得带宽的优化波长范围由850 nm一个点拓展到850到953 nm的一段区间。这就允许在同一根光纤中同时传输多个波长的光信号，每个波长各承载一路数据，例如SWDM4使用的四个波长。光纤本身的数量没有增加，等效传输容量却提升了数倍。另外，OM5在850 nm下的EMB指标与OM4一致，所以在只使用单一波长的传统链路里，它的表现与OM4相当，这也是布线时选择OM5的常见理由，为今后的速率升级预留空间。