200G 的多模链路，为什么只剩 50 米

多模光纤的带宽用 MHz·km 标，这个单位里藏着一个除法。带宽乘长度是常数，速率一涨，长度就按同一比例缩。OM4 标 4700 MHz·km，一条 200G 通道要 50 GHz 的带宽，除下来是 94 米，标准只给 50 米。

带宽距离积是个常数

多模光纤的带宽来自模式色散。光在 50 微米芯径里走的不止一条路径，不同模式走过的长度不一样，到达终点的时间就有先有后。输入一个窄脉冲，输出变成一个展宽的包。展宽量正比于长度，所以带宽与长度的乘积近似不变，单位写成 MHz·km。

OM3 的 EMB 是 2000 MHz·km，OM4 是 4700 MHz·km，两个数都在 850 nm 下定。这条常数关系给出一个很直接的换算式：

L = EMB / B

式中 L 是可传输长度，单位 km；EMB 是有效模式带宽，单位 MHz·km；B 是链路需要的带宽，单位 MHz。三个量必须同单位，实际算的时候把 EMB 换成 GHz·m 更方便，4700 MHz·km 就是 4700 GHz·m。

一条 200G 通道要五十G

速率换算成带宽，中间隔着调制阶数。NRZ 一个符号一个比特，PAM4 一个符号两个比特。200 Gb/s 用 PAM4，符号率是 100 GBd，基频 50 GHz。链路带宽通常按符号率的 0.5 到 0.7 倍取，取中间值 50 GHz 是工程上常用的口径。

代进上式，4700 除以 50，得 94 米。这是 OM4 在 200G 单通道下的理论上限。IEEE 802.3 给 200G 多模定的目标距离是 50 米，比算出来的 94 米少了一半。

差出来的那一半不在带宽上，在信噪比上。PAM4 有四个电平，判决门限从 NRZ 的一个变成三个，眼高只剩三分之一，同一个接收机要多花 9.5 dB 的信噪比才能维持同样的误码率。色散把眼图闭合一点，判决余量就先耗尽。带宽够，不等于距离够。

反过来看上一代 100G，能看清这条除法有多硬。100G 单通道走 NRZ，符号率 53 GBd，需要的带宽约 35 GHz。4700 除以 35，是 134 米，标准给 100 米，留了三分之一余量。

从 100G 到 200G，速率翻倍，按理长度该减半，134 米变 67 米。实际标准从 100 米掉到 50 米，跌了一半，跌幅比速率翻倍还多一点。PAM4 的 9.5 dB 在这里又收了一次费。

纠错能抵一部分。200G 这一代用 KP4 的 RS(544,514) 前向纠错，开销 5.8%，在 1e-15 的输出误码上通常给出 5 到 6 dB 的净编码增益。这段增益抵掉 PAM4 代价的一半多，剩下的才落在光纤和探测器上。纠错不是免费，5.8% 的开销要占带宽，100 GBd 加上开销实际跑 105.8 GBd，链路需要的模拟带宽也跟着涨。

OM3 那边更紧。2000 除以 50，是 40 米，比 OM4 的 94 米少了 57%。同样一条 200G 链路，机房用 OM3 布过线，改速率的时候就得先量长度，超过 40 米的段必须换纤或者加中继。

图 1　有效模式带宽与可达距离的换算关系（依据原文第 2 节 EMB 定义绘制）

把光打进去只能改一成

既然带宽是瓶颈，能不能从光纤这一端挤？有一条路是改注入条件。同一条 OM4，光从中心注入和从偏置位置注入，激发的模式群不一样，高阶模和低阶模的比例变了，测出来的 EMB 能差一截。

实测统计了几千盘 OM4，按 IEC 60793-1-49 的环绕通量分类去挑注入权重，让 86% 功率落在半径 19 微米以内、4.5 微米以内的功率低于 30%，这样一套注入条件下，超过 21% 的 OM4 光纤 EMB 提升 10% 以上。换成偏外环的注入，比例是 19%。

10% 的带宽提升，代进除法，94 米变 103 米。这点余量对 50 米的标准没有意义，对已经在跑 80 米的现场有点用。想靠注入条件把距离翻倍，做不到，因为模式色散的量级由折射率剖面定，注入条件只能改变各模式的权重，改不了剖面。

长波长那一端还有一点额外收益。850 nm 之外，OM4 在偏置注入下能多出 0.3 GHz·km，OM3 多出 0.15 GHz·km，相对 4700 是 6%。对 400G 双向传输用的 910 nm 通道，这点带宽能补一点色散代价。

图 2　不同注入条件下的带宽提升比例（依据原文第 4 节统计结果绘制）

谱宽和色散又在扣一层

VCSEL 的谱宽典型值 0.6 nm。这个宽度乘上光纤的色散系数，就是另一种脉冲展宽，跟模式色散叠加在一起。

850 nm 附近，石英光纤的色散系数约负 100 ps/(nm·km)。0.6 nm 乘 100，是 60 ps/km。链路 94 米，展宽 5.6 ps。100 GBd 的符号周期是 10 ps，5.6 ps 相当于 0.56 个 UI。这个量级不能忽略，因为色散展宽是高斯型的，尾巴会压到相邻符号上。

模式色散和色度色散的比例随长度变化。模式色散的带宽是常数乘积，长度翻倍带宽减半，展宽按长度线性涨；色度色散同样按长度线性涨。两者在 50 米这个尺度上量级相当，都要算。再往长走，多模光纤的模式色散占主导，色度色散反而变成次要项。

VCSEL 的孔径从 2000 年前的 8 到 15 微米缩到现在的 4 到 5 微米，目的是降电容、提带宽。孔径缩小之后光束发散角变大，1/e² 处不到 30 度，耦合进光纤的效率对对准更敏感。这是速率上去之后增加的又一项装配成本。

400G 的多模模块还有一条省光纤的路子，一根纤里跑两个波长，850 nm 走一个方向，910 nm 走反方向，收发两端用滤波片分开，8 个通道双向跑等于 16 个通道的容量。换成两个波长有代价。910 nm 处的模式带宽比 850 nm 低，因为光纤的折射率剖面是按 850 nm 优化的，长波长上高阶模的群时延差更大。实测统计里，OM4 在长波长区间的 EMB 比标称值低一截，靠注入条件优化能补回 0.3 GHz·km，占 4700 的 6%。

双向传输把这条损失摊到两个方向上。一个方向跑 850 nm 拿满带宽，另一个方向跑 910 nm 打折，整条链路按最差的那个方向定距离。这就是为什么双向模块的标称距离往往比同速率的单向模块短一档。

探测器和五十米这条线

链路的另一端也在跟着改。多模接收机的光电探测器有源区直径原来是 30 到 40 微米，这个尺寸是为了把光纤出射的光斑全部收进来。有源区越大，结电容越大，带宽越低，两者互相拉扯。

把注入条件收窄，出射光斑变小，探测器就能缩到 20 到 30 微米。直径减三分之一，面积减一半多，结电容跟着降，同样的跨阻下带宽能提上去。这条收益不来自光纤，来自光斑。

代价在装配上。光斑小了，对准公差收紧，收发模块的耦合工序要求更高，良率往下走。这一段成本不出现在带宽表上，出现在产线的返修率里。

探测器还有一条更慢的路，把有源区的材料结构换掉，用背入射结构把光从衬底一侧打进去。这条路的带宽能做到 60 GHz 以上，代价是工艺不兼容标准 CMOS 后段，要单独流片，成本上一档。

五十米之外只剩换单模

把这条链路的账摊开，50 米这个数字由三件事叠出来。OM4 的 4700 MHz·km 给出 94 米的带宽上限，PAM4 的 9.5 dB 信噪比代价把它砍到 50 米附近，探测器和封装的对准公差再留一点余量。

想突破这条线，靠调注入条件只能拿到 10%，靠换 OM5 的宽波段复用是把几条波长并起来用，单通道的距离不变。真正把距离拉长的方案是换单模，1310 nm 的衰减 0.35 dB/km，色散也小，代价是激光器从 VCSEL 换成 EML 或者硅光，模块成本和功耗都上一档。

一句话，多模链路的距离是带宽除出来的，速率每翻一倍，先掉的是长度，不是余量。

内容来源：Photonics（MDPI 开放获取），2025 年第 12 卷第 7 期，文章号 654

原文标题：Modal Bandwidth Enhancement Through Launch Condition Optimization for High Data Rate VCSEL Transmission Over Multimode Fibers

作者：Xin Chen, Simit Patel, Hao Dong, Hao Chen, Jason E. Hurley, Nikolay Ledentsov, Ming-Jun Li

DOI：10.3390/photonics12070654

配图说明：两张图均由本文自行绘制，为原理示意，非原文原图复制

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来源：21ic电子网