光纖布線性能及損耗認(rèn)證測(cè)試

陳育中，王燦田，馮金龍

(1.南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 南京 210019；2.南京高職校工程檢測(cè)有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

由于終端用戶在性能上有多元化的要求，光纖布線需求持續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。主要優(yōu)勢(shì)有3個(gè)方面：一是擴(kuò)展性好。無(wú)須大規(guī)模改變物理層，可以輕松實(shí)現(xiàn)新的傳輸速率。二是端口密度高。水平垂直布線管理提高了網(wǎng)絡(luò)效率，降低了每條線路的成本，還有高密度的端口。三是節(jié)能環(huán)保。提高管路內(nèi)的布線密度，用更少的能量達(dá)到冷卻效果，減少線材用量。因此，優(yōu)質(zhì)的光纖對(duì)信號(hào)傳輸、延遲以及損耗的影響起著決定性的作用，光纖損耗測(cè)試及故障診斷的意義和必要性顯得尤為重要。

1 光纖的發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)態(tài)

1.1 光纖的發(fā)展歷史

將電纜替換成光纜進(jìn)行通信的研究，源于1966年STL研究所高餛博士的研究。1970年，第一代可商用的光纖及半導(dǎo)體激光器研制成功，這一年被稱為“光纖通信元年”。隨著光纖通信技術(shù)不斷發(fā)展，歷經(jīng)PDH，SDH，WDM等幾個(gè)階段。

1.2 光纖標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)

1980年2月，IEEE802.3 X工作組開(kāi)始制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，隨后，10BASE-5，10BASE-2，10BASE-T，10BASE-F等以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相繼出現(xiàn)。隨著以太網(wǎng)全雙工通信的出現(xiàn)，100 Mbps(高速以太網(wǎng))、1 Gbps(千兆以太網(wǎng))、100BASE-FX(多模半雙工、全雙工、單模光纖全雙工)和基于銅纜布線的100BASE-T相繼問(wèn)世。

1.3 多模光纖標(biāo)準(zhǔn)的最新變化

光纖有單模和多模之分。單模光纖主要應(yīng)用于連接城市節(jié)點(diǎn)之間的核心網(wǎng)絡(luò)、連接各地區(qū)的城市網(wǎng)絡(luò)、連接各家庭或企業(yè)的接入網(wǎng)絡(luò)；多模光纖主要應(yīng)用于樓宇內(nèi)綜合布線系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)中心。隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備、云服務(wù)的普及，MIMO空間復(fù)用、高階調(diào)制、SWDM短波波分復(fù)用、單纖雙向傳輸?shù)燃夹g(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2 市場(chǎng)動(dòng)態(tài)

近5年，全球IP流量增長(zhǎng)近3倍。2017年, 每個(gè)月的IP流量總量為100.5 EB，以CAGR(年復(fù)合增長(zhǎng)率)22%的速度增加，2022年已達(dá)到300 EB，非PC設(shè)備的流量將占IP流量的82%。隨著移動(dòng)設(shè)備的增加、私有云需求的擴(kuò)大、商業(yè)混合云服務(wù)的快速普及、工作負(fù)載密度的增加、數(shù)據(jù)流量的不斷提高等多種因素的重疊，全球的總數(shù)據(jù)中心流量增長(zhǎng)至少5倍。

3 光纖布線與認(rèn)證測(cè)試

LAN(局域網(wǎng))和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)綜合布線，包括最大距離為2～5 km的用戶網(wǎng)絡(luò)，樓宇內(nèi)部、園區(qū)以及樓宇之間的布線。雙絞線布線系統(tǒng)，一般連接終端用戶或邊緣網(wǎng)絡(luò)，最大可支持100 m的距離；光纖布線主要用于長(zhǎng)距離、寬帶連接，適用于樓內(nèi)干線超過(guò)100 m的垂直線纜。

“認(rèn)證測(cè)試”即根據(jù)指定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試鋪設(shè)的布線系統(tǒng)的傳輸性能，保證鋪設(shè)質(zhì)量可靠，提供正式的測(cè)試報(bào)告證明完全滿足各標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的相關(guān)規(guī)定。因此，要求光纖布線工程的施工單位根據(jù)需求方提出的布線標(biāo)準(zhǔn)或者應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證測(cè)試，并向需求方提交測(cè)試報(bào)告。

3.1 光纖結(jié)構(gòu)

光纖由純度極高的透光玻璃纖維束組成，周圍被緩沖體包圍。玻璃纖維束的中心稱為“纖芯”，傳輸實(shí)際的光信號(hào)，將光限制在纖芯中的玻璃層稱為“包層”。光纖的外層皮由塑料材質(zhì)組成，稱為“涂覆層”或者“內(nèi)層”，保護(hù)玻璃纖維并維持強(qiáng)度。局域網(wǎng)布線基礎(chǔ)設(shè)施中使用的多模光纖纖芯直徑為62.5 μm，50 μm，單模光纖是直徑為9 μm。

3.2 反射與折射

利用光從空氣照進(jìn)水中的例子來(lái)說(shuō)明光纖基于全反射的工作原理。當(dāng)光的入射角比臨界角小時(shí)，到達(dá)水的表面后光的傳播方向在界面處發(fā)生變化，并進(jìn)入水中。當(dāng)光以不低于臨界角的角度到達(dá)水面時(shí)，光就會(huì)在水面發(fā)生反射。使用折射率來(lái)表示該特性，用符號(hào)n=c/v表示，即特定媒介中的光速v相對(duì)于真空中的光速c的比例[1]。

真空中的折射率n真空=l(v=c)，空氣和水的折射率比真空中略高，n空氣=1.003，n水=1.333。折射率n越大，該物體中的光速就越慢。因此，空氣中的光比水中更快。光纖纖芯的折射率比包層大，纖芯的折射率為1.47，包層的折射率約為1.45。在纖芯與包層之間的界面上，光到達(dá)該界面的入射角比臨界角大，不會(huì)進(jìn)入芯層內(nèi)。

根據(jù)上述原理，可以繪制一條與纖芯中心線和臨界角相關(guān)的精度α線。若光以小于該角度的方式從光纖的端面射入，就會(huì)發(fā)生全反射，在纖芯中傳播。該角度也稱“開(kāi)口率”，表示光纖的匯聚能力。若光以不低于該角度的方式從光纖的端面入射，到達(dá)界面時(shí)會(huì)在包層內(nèi)發(fā)生折射，光不會(huì)停留在纖芯內(nèi)。

3.3 發(fā)信號(hào)

以太網(wǎng)和光纖通道用于傳輸帶有數(shù)字信息的脈沖。位是數(shù)字信息的基本單位，用0或者1來(lái)表示。數(shù)值數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字、其他數(shù)據(jù)，可以用一連串的二進(jìn)制符號(hào)表示。

實(shí)際上，脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間都有限制，用來(lái)決定系統(tǒng)可傳輸?shù)拿}沖數(shù)量(速度)的上限。上升時(shí)間即光變成“ON”狀態(tài)所需的時(shí)間，用脈沖的振幅從10%變成90%的值所需的時(shí)間來(lái)表示。下降時(shí)間則是從“ON”變成“OFF”狀態(tài)所需的時(shí)間。當(dāng)傳輸速度超過(guò)10億 bit/s(數(shù)據(jù)速率為1 Gbps以上)，由于存在上升時(shí)間與下降時(shí)間限制，LED光源有可能無(wú)法勝任。這些光速的傳輸系統(tǒng)只使用激光光源。若是局域網(wǎng)綜合布線系統(tǒng)，一般廣泛使用垂直腔面發(fā)射激光器光源，該光源產(chǎn)生850 nm的波長(zhǎng)。

3.4 傳輸可靠性要求及性能指標(biāo)

發(fā)射器光源產(chǎn)生脈沖串時(shí)，光纖鏈路傳輸該脈沖串時(shí)必須確保高可靠性，從而確保接收方設(shè)備的檢測(cè)器可以檢測(cè)出脈沖的“ON”與“OFF”的真值。要確?？煽總鬏敽徒邮?，有4個(gè)最根本的性能指標(biāo)，即通道插入損耗、信號(hào)色散、損耗和帶寬。這4個(gè)參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)“零誤碼”的可靠傳輸至關(guān)重要，但是，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法對(duì)色散進(jìn)行測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)布線標(biāo)準(zhǔn)定義了光纖通道的最大長(zhǎng)度，該數(shù)值與速率、光纖帶寬有關(guān)?？紤]到多模光纖的色散特性，通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量來(lái)定義帶寬。

栽培果樹(shù)的總目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)速生、早產(chǎn)、豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、壽命長(zhǎng)和效益高。而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須緊緊抓住5個(gè)環(huán)節(jié)：①良種是前提，是豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的內(nèi)因；②立地是基礎(chǔ)條件，劣質(zhì)荒脊地、低洼易澇地勿用；③防治病蟲是“治安保衛(wèi)”“質(zhì)量監(jiān)督”，防患于未然；④整形修剪是“樹(shù)冠組織”工作，有利于達(dá)到早產(chǎn)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的；⑤肥水是“后勤供給”工作，足則豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，缺則欠而不穩(wěn)。五環(huán)缺一不可，這就是總則。

(1)通道插入損耗。通道是指發(fā)射器與接收器兩端之間的傳輸媒介。從發(fā)射器到接收器的傳輸媒介上所允許的最大信號(hào)損耗，即信號(hào)的衰減量，是光纖布線、連接器、接頭等產(chǎn)生的總損耗。

(2)信號(hào)色散。光脈沖在光纖鏈路上傳播的過(guò)程中，會(huì)由于色散而產(chǎn)生擴(kuò)散。必須控制色散現(xiàn)象，以防止接收端的光脈沖發(fā)生重疊，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別。

(3)損耗。損耗即衰減量，是在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中最常用的參數(shù)。信號(hào)必須有足夠的強(qiáng)度，才可以到達(dá)光纖鏈路的遠(yuǎn)端, 從而確保接收器的檢測(cè)器可以正確檢測(cè)到并進(jìn)行解碼。光纖衰減或信號(hào)損耗是由于光纖中比光的波長(zhǎng)小很多的粒子的不均勻分布或者制造光纖時(shí)產(chǎn)生的彎曲造成的。這種不均勻性使得光在進(jìn)入纖芯時(shí)發(fā)生部分散射，從而導(dǎo)致光源損失。當(dāng)玻璃內(nèi)的雜質(zhì)與波長(zhǎng)大致相等時(shí)，波長(zhǎng)與損耗成反比，波長(zhǎng)越長(zhǎng)、損耗越小。彎曲是由于光纖形狀的輕微缺陷導(dǎo)致的，造成彎曲的主要原因有生產(chǎn)過(guò)程中的纏繞、纖芯直徑的變化、纖芯與包層界面的粗糙、機(jī)械壓迫、拉伸、壓緊、扭轉(zhuǎn)等。

(4)帶寬。光纖的信息傳輸能力，用比特率表達(dá)。帶寬是頻率與距離的乘積，用MHz-km表示。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的帶寬指標(biāo)有3種，即全模式帶寬、限定模式帶寬、激光帶寬或者有效模式帶寬。若想確保光纖鏈路的帶寬達(dá)到千兆速度，較好的方法是測(cè)差分模式延遲。

3.5 光纖布線常見(jiàn)故障

光纖是可靠性優(yōu)良、性價(jià)比高的傳輸介質(zhì)，實(shí)際使用中要求將極細(xì)的光纖纖芯精確對(duì)齊。然而，即便是微小的灰塵，也可能會(huì)對(duì)光纖端面造成污染而損壞連接，引發(fā)各種問(wèn)題。光纖在布線和使用中，被折斷、熔接不好、光纖端面、灰塵、污垢等現(xiàn)象都是常見(jiàn)故障。

3.6 光纖連接中的注意事項(xiàng)

PC(物理接觸)連接器，減少了光纖之間的空隙，從而減少損耗和反射。連接器連接后如果有空隙，一般情況下回波損耗為30～50 dB(0.1%～0.001 %)。PC連接使用多項(xiàng)拋光技術(shù)，將連接頭的接觸端面設(shè)計(jì)為凸起，從而確保光纖端部可靠地連接在一起。CATV或者高速的長(zhǎng)距離單模鏈路，對(duì)反射極其敏感。為了解決該問(wèn)題，將接觸端面設(shè)計(jì)為8°斜角，使得光纖包層吸收反射。

IEC61300-3-35SMRL(現(xiàn)場(chǎng)及工廠拋光反射損耗)和IEC61300-3-35 SMAPC(針對(duì)斜面物理連接頭)提出了PC連接頭的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)可以用于光纖端面清潔度的自動(dòng)評(píng)估。數(shù)據(jù)中心使用的40 Gbps及100 Gbps的多模光纖網(wǎng)絡(luò)，使用12芯MTP/MP0(多芯插拔式)連接頭，每條鏈路使用8芯或20芯的平行光纖。

通常，對(duì)MPO鏈路進(jìn)行測(cè)試時(shí)使用扇形跳線分隔各光纖, 再根據(jù)用戶手冊(cè)規(guī)定的復(fù)雜操作進(jìn)行測(cè)試，但是容易發(fā)生錯(cuò)誤。為了克服這一點(diǎn)，必須同時(shí)測(cè)試12芯光纖，全面測(cè)試損耗、極性等，與單獨(dú)測(cè)試每條光纖的方法相比，可降低97%的時(shí)間和費(fèi)用。

4 測(cè)試原理

4.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

若要確定全面的指標(biāo)，應(yīng)該綜合考慮兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即綜合布線標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，確保鋪設(shè)的布線系統(tǒng)滿足預(yù)期應(yīng)用的要求。在安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之前，確保布線系統(tǒng)本身不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)故障。

4.2 綜合布線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)定了布線系統(tǒng)的鋪設(shè)要求、性能指標(biāo)以及線纜的特性、長(zhǎng)度、連接硬件、屏蔽線、交叉連接、連接最大數(shù)量、傳輸性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及維修保養(yǎng)方法[2]。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有ISO11801和1SO/IEC14763-3，信息技術(shù)——客戶建筑群布線的實(shí)施與操作——第三部分光纖布線測(cè)試以及ANSI/TIA568D。TIA的版本D由5個(gè)光纖布線子標(biāo)準(zhǔn)組成：(1)商用大廈的商用信息通信布線，闡述了整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要點(diǎn)；(2)商用大廈的商用信息通信布線系統(tǒng)，闡述商用大廈的設(shè)計(jì)要求；(3)闡述了平行雙絞線布線系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；(4)闡述了布線元器件的性能標(biāo)準(zhǔn)；(5)闡述了寬帶同軸布線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 鏈路損耗限值的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)分析，鏈路的衰減限值計(jì)算公式如下。

鏈路的衰減限值(dB)=線纜損耗(dB)+連接器插入損耗(dB)+熔接插入損耗(dB)，其中：

(1)線纜損耗(dB)=最大線纜損耗系數(shù)(dB/km)×長(zhǎng)度(km)；

(2)連接器插入損耗(dB)=連接器的損耗(dB)×連接器的個(gè)數(shù)；

(3)熔接插入損耗(dB)=熔接損耗(dB)×熔接個(gè)數(shù)。

局域網(wǎng)綜合布線系統(tǒng)推薦使用的多模光纖的衰減系數(shù)，幾乎都是3.0 dB/km。對(duì)于單模光纖，OS2單模光纖的衰減系數(shù)為0.4 dB/km，OS1的衰減系數(shù)低于1.0 dB/km。局域網(wǎng)綜合布線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，連接器允許的最大損耗為0.75 dB，熔接允許的最大損耗為0.3 dB。一般情況下，若布線系統(tǒng)的鋪設(shè)合理，連接器損耗應(yīng)該可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.75 dB。要想確定損耗限值，光纖的長(zhǎng)度必須已知或者使用測(cè)試工具測(cè)得。

5 布線認(rèn)證與測(cè)試

5.1 選擇標(biāo)準(zhǔn)

(1)對(duì)鏈路損耗進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估。使用OLTS(光損耗測(cè)試設(shè)備)，可以自動(dòng)測(cè)量被測(cè)鏈路長(zhǎng)度的認(rèn)證測(cè)試，使用LSPM(光源及功率計(jì))的測(cè)試工具，則不能測(cè)量鏈路長(zhǎng)度，為了解釋測(cè)量結(jié)果必須手動(dòng)計(jì)算。使用時(shí)，將光源連接在被測(cè)量光纖的一端，功率計(jì)連接到另一端。

(2)對(duì)鏈路長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估。很多布線標(biāo)準(zhǔn)，為了計(jì)算其損耗限值，即光纖在損耗限值中所占的比例，必須知道鏈路長(zhǎng)度。長(zhǎng)度在認(rèn)證鏈路是否支持特定的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)有著很重要的作用。

(3)鏈路極性的驗(yàn)證。步驟1～3是認(rèn)證測(cè)試的最低要求，即“基本認(rèn)證”或者“Tier1(1級(jí))”測(cè)試。“Tier2(2級(jí))”測(cè)試在Tier1測(cè)試的基礎(chǔ)上增加了OTDR分析(軌跡或者事件表)。OTDR測(cè)試可以用于對(duì)光纖鏈路內(nèi)部各組件的性能評(píng)估，診斷可能存在的光纖衰減不均、個(gè)別連接器或熔接存在損耗過(guò)大或其他故障問(wèn)題。

5.2 認(rèn)證測(cè)試類型

除了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小測(cè)試步驟外，根據(jù)測(cè)試儀分為幾個(gè)不同的認(rèn)證類型。

(1)全自動(dòng)。雙波長(zhǎng)、雙鏈路的光纖長(zhǎng)度與損耗測(cè)量，并自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者自定義的限值判斷是否合格，3 s自動(dòng)完成測(cè)試。

(2)半自動(dòng)。在輸入了限值以后，用測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量并判斷是否合格，可以解決現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中復(fù)雜的極性問(wèn)題，對(duì)配線盒進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試。

(3)手動(dòng)。用戶必須自己進(jìn)行所有必要的操作，進(jìn)行各種連接，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值，并自己判斷鏈路是否合格。

5.3 認(rèn)證測(cè)試過(guò)程及要求

判斷結(jié)果是否合格時(shí)，必須遵循精度和準(zhǔn)確度都很高的OLTS或者LSPM測(cè)試步驟。如果損耗限值為2.6 dB，即使測(cè)量誤差小到0.25 dB，產(chǎn)生的誤差也將近極限值的10%。進(jìn)行正確有效的測(cè)量時(shí)，需要著重注意3個(gè)方面，即損耗測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)值、光源對(duì)被測(cè)鏈路的激發(fā)條件、各測(cè)試設(shè)備的不同類型的認(rèn)證測(cè)試。

5.4 驗(yàn)證測(cè)試

光纖驗(yàn)證測(cè)試(包括端面檢查與清潔在內(nèi))，應(yīng)該作為標(biāo)準(zhǔn)工作流程來(lái)實(shí)施。為了確認(rèn)鋪設(shè)工程的質(zhì)量，應(yīng)該在整個(gè)布線鋪設(shè)過(guò)程中對(duì)每個(gè)布線段進(jìn)行損耗測(cè)量[3]，或者在最終的認(rèn)證測(cè)試之前進(jìn)行損耗測(cè)量。這些光纖驗(yàn)證工具用于復(fù)雜鏈路的故障診斷。終端之間的鏈路損耗的快速檢查，除了確認(rèn)光纖線纜是否可靠，還需確認(rèn)原因是不是其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行有問(wèn)題。

將已知的光源連接到光纖的一端，并將功率計(jì)連接在另一端，確認(rèn)整個(gè)光纖鏈路的損耗。為了確?？梢赃M(jìn)行測(cè)試和設(shè)置功率損耗計(jì)算基準(zhǔn)，要對(duì)上述光源的參考功率進(jìn)行測(cè)量并保留記錄。確定參考值以后，將光功率計(jì)與光源連接到光纖鏈路的兩端進(jìn)行測(cè)試。光源會(huì)發(fā)出所選波長(zhǎng)的連續(xù)波，另一端測(cè)量光功率計(jì)接收的光功率，再與參考功率進(jìn)行比較，計(jì)算出光鏈路的總體損耗量。若總體損耗在被測(cè)鏈路的規(guī)定極限值以內(nèi)，則判定結(jié)果合格。

6 結(jié)語(yǔ)

光纖應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，質(zhì)量好壞直接關(guān)系到傳輸質(zhì)量，影響各種應(yīng)用環(huán)節(jié)。如何保護(hù)光纖，選擇合適的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量?jī)x器，再判斷光纖是否合格具有至關(guān)重要的作用。在光纖綜合布線系統(tǒng)中，工程技術(shù)人員對(duì)布線的整個(gè)框架、布線要求、傳輸可靠性、損耗計(jì)算、故障診斷、測(cè)試方法等內(nèi)容應(yīng)該有較強(qiáng)的理論知識(shí)和嫻熟的專業(yè)技能。