マルチモードファイバ: OM1 対 OM2 対 OM3 対 OM4

2023 年 2 月 28 日

ミア

光伝送コンサルタント

マルチモード光ファイバーの伝送速度と帯域幅

ファイバの幾何学的サイズ (主にコア径 d1) が光の波長 (約 1 ミクロン) よりもはるかに大きい場合、ファイバには数十または数百もの伝搬モードが存在します。伝搬モードが異なると伝搬速度と位相が異なるため、長距離伝送後に時間遅延が発生し、光パルスが広くなります。この現象は、光ファイバのモード分散と呼ばれ、モード間分散とも呼ばれます。

マルチモードファイバのパラメータにバンド幅（チャネル帯域幅）というパラメータがありますが、単位はMHz・kmで、マルチモードファイバの伝送速度が200Mbit/sに達するか？両者の関係をどう理解するか。

まず、マルチモードファイバの帯域幅を理解しましょう。

通常、マルチモードファイバの情報容量は、帯域幅と長さの積によって測定されます。なぜ単位がMHzではなくMHz・kmなのですか？まず第一に、マルチモード光ファイバの特性を理解する必要があります。マルチモード光ファイバで光導波路信号を伝送する過程での追加の群遅延、モード間分散、材料分散、導波路分散などは、信号の歪みにつながります。その中で、インターモーダル分散は、帯域幅の決定的な要因です。材料の分散と導波路の分散は、通常、マルチモードファイバーでは無視できますが、シングルモードファイバーには大きな影響を与えます。

上述の要因により、光導波路信号の伝送長は、信号がマルチモードファイバで伝送される場合、帯域幅に反比例することになります。一般に、伝送距離が長くなるほど、伝送帯域幅は狭くなります。 MHz・km の単位は、マルチモードファイバが 1 KM 以内で伝送できる容量を表します (信号が途切れない場合)。ファイバーの長さは象徴的な物理パラメーターです。距離が決まれば、ユーザーの現在または将来の帯域幅要件に応じて、ファイバーの選択範囲を狭めることができます。したがって、マルチモードファイバの実際の帯域幅を単純に言っても意味がなく、信号が欠落しないように長さを足す必要があるため、単位はMHz・KMになります。例えば、帯域幅が600MHz・KMの場合、その帯域幅は300KMの場所で2Mしかありません。ステップインデックスマルチモードファイバーの場合、さまざまな要因の影響により、帯域幅と長さの積が20MHz・KMに制限されます。グラディエントインデックスファイバーの場合、その帯域幅と長さの積は 2.5GHz·KM にもなります。シングルモードファイバの場合、分散が小さく、光源のスペクトル幅が狭いなどの要因により、その伝送帯域幅は無限大と見なすことができます。研究によると、0.85 μm の短波長の場合、光源の二乗平均平方根スペクトル幅が 20 nm の場合、ファイバーの全帯域幅は最良の場合でもわずか 1 GHz km です。 1.30 μm の波長の場合、プロファイルインデックスが適切に制御されている場合、最大帯域幅は 10 GHz·km を超える可能性があります。

(備考: 現在のところ、LED (発光ダイオード) の二乗平均スペクトル幅は中心波長の約 5% です。たとえば、LED の発光ピーク波長が 850nm であるとすると、その典型的なスペクトル幅は、 40nm、つまり、放出される光のパワーのほとんどが830〜870nmの波長範囲に集中します.LD（半導体レーザー）光源のスペクトル幅ははるかに狭く、その中でマルチモードLDの典型的なスペクトル幅は1〜 2 nm ですが、シングルモード LD の典型的なスペクトル幅はわずか 0.0001 nm です。)

の伝送速度マルチモードファイバーマルチモードファイバーの帯域幅に関連しています。まず、データ伝送速度 (コードレート、ビットレート、またはデータ帯域幅とも呼ばれます) は、通信で XNUMX 秒あたりに伝送されるデータコードのビット数を表します。単位はビット/秒で、bit/s=b/s=bps と記録できます。チャネル帯域幅とデータ伝送速度の関係は、ナイキスト基準とシャノンの法則によって説明できます。

ナイキスト基準は、時間間隔が π/ω (ω=2πf–>2f=w/π) であり、狭いパルス信号が理想的な通信チャネルを介して送信される場合、前の信号と前の信号との間に相互干渉がないことを示しています。以下の記号。従って、バイナリデータ信号の最大データ伝送速度Ｒｍａｘ（ｂｐｓ単位）と通信チャネル帯域幅Ｂ（Ｂ＝ｆ、Ｈｚ単位）との関係は、Ｒｍａｘ＝２ｆと書くことができる。バイナリデータの場合、チャネル帯域幅 B=f=2MHz の場合、最大データ伝送速度は 200Mbps であり、マルチバイナリシステムでは速度を N 倍にすることができます。ナイキスト定理は、帯域幅が制限され、ノイズのないチャネルの最大データ伝送速度とチャネル帯域幅の関係を説明しています。

シャノンの定理は、帯域幅が制限されたチャネルの最大伝送速度と、ランダムな熱雑音、チャネル帯域幅、および信号対雑音比の間の関係を説明しています。シャノンの定理は、ランダムな熱雑音のあるチャネルでデータ信号を送信する場合、データ伝送速度 Rmax、チャネル帯域幅 B、信号対雑音比 S/N の関係は次のようになることを示しています。 Rmax=B log2(1+ S/N)、Rmax の単位は bps、帯域幅 B の単位は Hz、信号対雑音比 S/N は通常 dB (デシベル) で表されます。 S/N=30(dB)の場合、S/N(dB)=10・lg(S/N)、S/N=1000の式で信号対雑音比を求めることができます。帯域幅 B=3000Hz の場合、Rmax≈30kbps です。

シャノンの法則は、有限の帯域幅で熱的にノイズの多いチャネルの最大データ伝送速度に制限を与えます。これは、帯域幅が 3000Hz しかない通信チャネルの場合、信号対雑音比が 30db の場合、データが 30 進数またはそれ以上の離散レベル値で表現されていても、XNUMXkbps を超える速度でデータを送信できないことを意味します。

「OM」はOptical Multimodeの略で、マルチモードファイバーの規格で、ファイバーのレベルを示します。さまざまなレベルの伝送の帯域幅と最大距離は異なり、その違いは次の側面から分析されます。

OM1、OM2、OM3、OM4 光ファイバーのパラメーターと仕様の比較

OM1 50/62.5 nm および 850/1300 MHz·km 以上の全注入帯域幅を備えた 200 μm または 500 μm コア径のマルチモードファイバを指します。
OM2 は、50/62.5 nm および 850/1300 MHz·km を超える完全な注入帯域幅を持つ 500 μm または 500 μm のコア径のマルチモード光ファイバーを指します。
OM3 は、50 nm レーザーによって最適化されたコア径 850 μm のマルチモードファイバーです。 10 nm VCSEL を使用する 850 Gb/s イーサネットでは、ファイバー伝送距離は 300 m に達する可能性があります。
OM4 は OM3 マルチモード光ファイバーのアップグレード版で、光ファイバーの伝送距離は 550 m に達します。

OM1、OM2、OM3、OM4 光ファイバーのパラメーターと仕様の比較

種類	繊維径（μm）	光ファイバタイプ	1 ギガビットイーサネット 1000BASE-SX	1 ギガビットイーサネット 1000BASE-LX	10Gbpsイーサネット 10Gベース	40Gbpsイーサネット 40GBASE SR4	100Gbpsイーサネット 100GBASE SR4
OM1	62.5/125	マルチモード	275m	550m	33m	サポートされていません	サポートされていません
OM2	50/125	マルチモード	550m	550m	82m	サポートされていません	サポートされていません
OM3（レーザー最適化）	50/125	マルチモード	550m	550m	300m	100m(SR4)	100m(SR4)
OM4（レーザー最適化）	50/125	マルチモード	550m	550m	400m	150m(SR4)	150m(SR4)
単一モード	9/125	シングルモード	5nmで1310km	5nmで1310km		無し

OM1、OM2、OM3、OM4 ファイバーの設計比較

従来のOM1と OM2 マルチモードファイバー標準および設計の点で基本的な光源として LED (発光ダイオード) を使用しますが、OM3 および OM4 は OM2 に基づいて最適化されているため、光源として LD (レーザーダイオード) を使用した伝送に適しています。
OM1およびOM2と比較して、OM3は伝送速度と帯域幅が高いため、最適化されたマルチモードファイバーまたは10Gマルチモードファイバーと呼ばれます。
OM4 は OM3 に基づいて再最適化され、パフォーマンスが向上しています。

OM1、OM2、OM3、OM4光ファイバの機能・特性比較

OM1: コア径と開口数が大きく、強い集光性と耐屈曲性を備えています。
OM2: コア径と開口数が比較的小さいため、マルチモードファイバーのモード分散が効果的に減少し、帯域幅が大幅に増加し、製造コストが 1/3 削減されます。
OM3: 難燃性の外皮を使用することで、炎の広がりを防ぎ、煙、酸性ガス、有毒ガスなどの放出を防ぎ、10 Gb/s の伝送速度のニーズを満たすことができます。
OM4: VSCEL レーザー伝送用に開発された、実効帯域幅は OM3 の XNUMX 倍以上です。

OM1、OM2、OM3、OM4光ファイバーの用途比較

OM1 と OM2 は、長年にわたってアプリケーションの構築に広く導入されており、最大 1Gb のイーサネット伝送をサポートしています。
OM3 および OM4 光ケーブルは通常、データセンターの配線環境で使用され、10G または 40/100G 高速イーサネットの伝送をサポートします。

om1、om2、om3、om4の繊維径

OM3 光ファイバージャンパーを使用するのはいつですか?

OM3光ファイバーは、VCSEL で動作するように設計された光ファイバーであり、ISO/IEC3-11801nd の OM-2 光ファイバー仕様に準拠し、10 ギガビットイーサネットアプリケーションの要件を満たしています。 OM3光ファイバには、屋内型、屋内外兼用など、多くの種類があり、光ファイバのコア数は4コアから48コアまでさまざまです。さらに、LED 光源やレーザー光源など、古いマルチモード 50/125 ファイバーに基づくすべてのアプリケーションがサポートされています。

OM3 光ファイバーシステムを使用したギガビットイーサネットの伝送距離は 900 メートルまで延長できます。つまり、建物間の距離が 550 メートルを超える場合、ユーザーは高価なレーザーデバイスを使用する必要がありません。
2000 メートルの距離内では、標準の 62.5/125 μm マルチモードファイバーを OC-12 (622Mb/s) レート範囲内のさまざまな状況で使用でき、それ以外の場合はシングルモードファイバーを使用します。しかし、OM3 マルチモードファイバの登場により、この状況が変わりました。 OM3 ファイバーはギガビットおよび 10 ギガビットシステムの伝送距離を延ばすことができるため、850nm 波長の光モジュールと VCSEL を使用することが、最も費用対効果の高い配線ソリューションとなります。
リンク長が 1000 メートルを超える場合、現時点ではシングルモードファイバーが唯一の選択肢です。シングルモードファイバは、ギガビットシステムで波長5nmで1310キロメートルの伝送距離、10ギガビットシステムで10キロメートルの伝送距離を達成できます。
リンク長が 1000 メートル以下の場合、ギガビットシステムでは OM3 50μm マルチモードファイバを使用でき、10 ギガビットシステムではシングルモードファイバを使用する必要があります。
リンク長が 300 メートル未満の場合、OM3 マルチモードファイバは任意のギガビットおよび 10 ギガビットシステムで使用できます。

OM4 光ファイバージャンパーを使用するのはいつですか?

一般的なリンクの場合、光モジュールのコストは非常に高くなります。シングルモードファイバーのコストはマルチモードファイバーよりも安価ですが、シングルモードファイバーには非常に高価な 1300 nm 光モジュールが必要であり、そのコストは 2 nm マルチモード光モジュールの約 3 ～ 850 倍です。一般に、マルチモードファイバーシステムのコストは、シングルモードファイバーシステムのコストよりもはるかに低くなります。

光ファイバーケーブルに投資する場合、一部のケーブルの初期投資を増やすことを検討し、次のようなより優れたマルチモードファイバーを採用する場合 OM4ファイバー、現在のマルチモードファイバー技術を十分に活用し、現在のシステムの全体的なコストを削減できることを確認できます。システムを 40G や 100G などのより高速なシステムにアップグレードする必要がある場合でも、OM4 を引き続き使用でき、より多くの費用を節約できます。

つまり、伝送速度が 1Gb/s を超える場合、マルチモードファイバーを採用するのは良いシステム選択です。システムがより高い伝送速度を必要とする場合、OM4 ファイバーを選択するためのガイドラインは次のとおりです。

イーサネットユーザーの場合、10Gb/s システム伝送では、伝送距離は 300m から 600m に達する可能性があります。 40Gb/s および 100Gb/s システムでは、伝送距離は 100m ～ 125m です。
キャンパスネットワークユーザーの場合、OM4 ファイバーは 4Gb/s ファイバーリンク長 400m、8Gb/s ファイバーリンク長 200m、または 16Gb/s ファイバーリンク長 130m をサポートします。