環(huán)形通量對多模光纖插入損耗測試的影響分析

劉德強 盧海萌 馮仕琨 解創(chuàng)創(chuàng) 辛天禹

【摘要】介紹了多模光纖插入損耗測試的背景和意義;討論了光源發(fā)射條件不同導(dǎo)致的多模光纖插入損耗測試結(jié)果不一致的問題;介紹了環(huán)形通量（Encircled Flux）及對多模光纖插入損耗測試的重要性;最后分別使用符合和不符合環(huán)形通量要求的光源對多模光纖插入損耗進行測試，并對測試結(jié)果進行了分析。

【關(guān)鍵詞】多模光纖;插入損耗;光源發(fā)射條件;環(huán)形通量

【作者簡介】劉德強：工程師，碩士研究生，從事光通信產(chǎn)品的測試與標準研究。

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1673-0348（2020）012-127-03

Abstract： This paper introduces the background and significance of multimode fiber insertion loss test. The inconsistent test results of multimode fiber insertion loss caused by different emission conditions of light sources are discussed The encircled flux and the importance of testing the insertion loss of multimode fiber are introduced. Finally， the insertion loss of multimode fiber is tested by using light sources which meet and do not meet the requirements of encircled flux， and the test results are analyzed.

Keywords：multimode fiber; Insertion loss; Emission condition of light source; encircled flux

1. 引言

和單模光纖相比，多模光纖的芯徑和數(shù)值孔徑更大，可以從光源耦合更多的光功率。此外，相對于單模傳輸方案，多模傳輸方案可以采用低成本，低功耗的激光器。但是多模光纖由于色散大，不適合長距離傳輸。因此，多模光纖被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)。

插入損耗是多模光纖的一個非常重要的參數(shù)，直接影響到鏈路的損耗。隨著局域網(wǎng)的帶寬越來越大，鏈路損耗預(yù)算也越來越緊，例如ISO/IEC/IEEE 8802-3規(guī)定，采用40G BASE-SR4/100G BASE-SR10方式傳輸數(shù)據(jù)時，100米長的OM3光纖鏈路可接受的鏈路損耗僅為1.9dB，150米長的OM4光纖鏈路可接受的鏈路損耗僅為1.5dB。在這樣的嚴格限制下，對多模光纖插入損耗測試的準確性要求也越來越高。

2. 多模光纖插入損耗測試的問題

多模光纖插入損耗的測試在很大程度上取決于測試光源的發(fā)射條件。不同的光源會產(chǎn)生不同的發(fā)射條件。例如，一個LED光源將以“過滿注入（Over fill）”的方式將光注入到光纖內(nèi)，而一個激光器光源（如VCSEL）將以“欠注入（Under fill）”的方式將光注入到光纖內(nèi)，如圖1所示。使用不同發(fā)射條件的光源進行多模光纖的插入損耗測試時，由于光源的注入方式不同，將給測試結(jié)果帶來差異。

當(dāng)采用LED光源進行測試時，由于光源的發(fā)散角大，光源以“過滿注入”的方式將多種模式的光注入到光纖內(nèi)。穩(wěn)定的低階模在靠近纖芯中心傳輸，而不穩(wěn)定的高階模在遠離纖芯中心甚至在包層中傳輸。不穩(wěn)定的高階模在光纖中傳輸一段距離后將會消失，因此插入損耗測試結(jié)果將比實際值偏大。

當(dāng)采用VCSEL光源進行測試時，由于光源的發(fā)散角小，光源以“欠注入”的方式將少量模式的光注入到光纖內(nèi)。由于光源發(fā)射的高階模數(shù)量太少，而且某些故障（例如連接器插頭對接時的纖芯錯位）無法被檢測到，因此插入損耗測試結(jié)果將比實際值偏小。

在“過滿注入”和“欠注入”的發(fā)射條件下測試得到的插入損耗結(jié)果偏差很可能會高達50%以上。這種偏差對于日益緊張的鏈路損耗預(yù)算是無法接受的。

3. 環(huán)形通量對多模光纖插入損耗測試的影響

測試多模光纖插入損耗時，為了得到準確一致的結(jié)果，測試光源的發(fā)射條件必須要保持一致性，符合“環(huán)形通量”的要求。

3.1 環(huán)形通量介紹

環(huán)形通量EF是指近場累積光功率相對于總輸出光功率的比率，它是距纖芯中心的徑向距離的函數(shù)。環(huán)形通量EF可以按照公式（1）進行計算。

其中，I（x）是近場光功率密度;r是距纖芯中心的徑向距離;R是積分上限，根據(jù)IEC-61280-1-4和TIA-455-203的規(guī)定，R取值為光纖纖芯標稱半徑的1.15倍。

環(huán)形通量明確規(guī)定了光纖中光功率的分布情況，使光源發(fā)射條件介于“過滿注入”和“欠注入”之間。IEC-61280-4-1中給出了環(huán)形通量的模板，規(guī)定了EF的上下限值，保證了光源發(fā)射條件的一致性，從而使得多模光纖插入損耗測試結(jié)果具有一致性。

3.2 環(huán)形通量保證多模光纖插入損耗測試結(jié)果的一致性

將10根長度均為25m的50/125μm的多模跳纖編號為1#～10#，使用光源功率計法（LSPM）測試其插入損耗，測試波長為850nm。選取3個不同發(fā)射條件的光源，其中光源1為過滿注入，光源2為欠注入，均不符合環(huán)形通量要求，光源3符合環(huán)形通量要求，如圖2所示。使用這3個光源進行插入損耗測試，測試結(jié)果見表1和圖3。然后使用模態(tài)控制器分別優(yōu)化光源1和光源2，使其符合環(huán)形通量要求，優(yōu)化后的光源記為光源1和光源2，如圖2所示。使用光源1和光源2進行插入損耗測試，測試結(jié)果見表1所示和圖3所示。

從測試結(jié)果可以看出，正如本文第2部分所述，使用光源1（過滿注入）的插入損耗測試結(jié)果比光源3（符合EF要求）的測試結(jié)果偏大，偏差范圍為56-121%;使用光源2（欠注入）的插入損耗測試結(jié)果比光源3（符合EF要求）的測試結(jié)果偏小，偏差范圍為33-67%;使用光源1（優(yōu)化后符合EF要求）的插入損耗測試結(jié)果和光源3（符合EF要求）的測試結(jié)果比較一致，偏差范圍為0-15%;使用光源2（優(yōu)化后符合EF要求）的插入損耗測試結(jié)果和光源3（符合EF要求）的測試結(jié)果比較一致，偏差范圍為0-22%。由此可見，環(huán)形通量大大降低了測試結(jié)果的不一致性。

4. 結(jié)束語

隨著數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高，鏈路損耗預(yù)算也越來越緊張，準確的損耗測試結(jié)果是保障鏈路正常工作的前提。使用不同發(fā)射條件的光源進行多模光纖插入損耗測試會給測試結(jié)果帶來較大差異。環(huán)形通量保證了光源發(fā)射條件的一致性，使用符合環(huán)形通量要求的光源進行測試，才能獲得準確一致的測試結(jié)果。

參考文獻：

[1]ISO/IEC/IEEE 8802-3：2017，Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 3： Standard for Ethernet.

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[4]TIA-455-203-A：2009，Light source encircled flux method.