光纖鏈路測試診斷快速入門（二）鏈路安裝特性測試

文｜美國福祿克公司 尹 崗

相對于高速鏈路而言，“傳統的”低速光纖鏈路是指計算機網絡中常見的10M/100M鏈路，在過去的十多年中，它們在局域網、園區網中得到了極大的應用。低速光纖鏈路的質量檢測只需要執行一級測試就可以確保應用穩定運行，也就是說，只要光纖鏈路的損耗不超標，10M/100M光纖鏈路就可以正常運行。從對高速光纖鏈路的大量實地檢測結果看，這給不少網管人員甚至專業人員造成了一種誤解：認為只要一條光纖鏈路的損耗值長度符合要求，就一定能支持未來的高速應用。隨著數據集中方式的逐漸流行，情況正變得越來越糟。由于數據中心機房的服務器速度提升很快，從早期最常用的100M、1000M光纖到近幾年的萬兆以及40G、100G開始迅速入市，早期布線中的大量質量問題開始暴露出來，原先設想僅靠升級設備速度來應對數據流量快速增加的預案，多數被推翻，只能重新設計建造新的機房，達到應用速度隨著業務流量快速提升的目的。另外，數據集中的結構形式雖然有很多優點，但也給服務器的光纖接入鏈路帶來了前所未有的“提速壓力”，這種壓力主要來自于提速的成本。人們不得不在“數據集中”和“分布式計算”兩種方案中做出數據可靠性選擇和投入成本的取舍?？梢赃@樣說，只要提高接入速度所做出的努力其性價比較合適，則人們會毫不猶豫地傾向于優先選擇數據集中的結構模式，這給建設規劃人員也提出了新的挑戰。其實，只要認真把握好光纖布線系統的質量，適時同步升級系統就是一件輕而易舉的事情，大可不必花費巨資重建新系統。進一步講，如果新建光纖布線系統鏈路質量不能保證，則可能在適時升級時再次遇到升級障礙。

升級障礙又叫“升級陣痛”，特指從原先正常運行的低速光纖（10M/100M）或中速光纖應用（1000M）過度到高速光纖應用時出現的接入異常問題。我們先簡單地討論一下這個問題的形成原因，以便在后文中介紹高速光纖安裝特性及質量的檢測、鏈路快速故障診斷定位等內容設定一個知識前提。

速度的快速提升意味著更高的光數據脈沖頻率及更窄的光脈沖寬度將被采用。為了達到此目標，出于成本考慮，開發人員傾向于采用或被迫采用多模光纖和更小功率的光器件，以期回避高額成本的問題。采用多模光纖和小功率光收發器件，會導致設計或安裝過程中需要謹慎對待的結果：一是整條光纖鏈路的損耗預算變得很緊張，像在低速的10M/100M時代常見的11/13dB甚至更高的鏈路損耗都能正常工作的光纖鏈路，普遍被壓縮到2.7dB左右甚至更低的損耗預算值，此時如果在光纖安裝過程中稍有不慎就可能導致鏈路的損耗值預算超標，從而造成中、高速的 1G/10G/40G/100G鏈路不能工作。另一個結果則是來自于色散的影響，色散限制了多模光纖鏈路的應用長度，為此富有創意的工程師專門開發出了OM3、OM4等色散優化多模光纖，這些光纖對安裝質量的要求變得更為嚴格，光纖的連接點特別是機械連接點的質量會嚴重影響整條光纖鏈路的傳輸特性。以優化后的折射率漸變光纖為例，由于光纖橫截面從中心到邊沿的折射率是不漸變的，這就對光纖連接點的直徑匹配和軸心匹配提出了更高的要求。在光纖連接點，由于偏心或折射率分布的漸變過程不“同步”、連接點存在污漬和擦傷、熔接點質量差等都有可能導致高速應用的誤碼率上升。最終呈現給網管人員并令他們手忙腳亂的就是誤碼率上升造成的連接不穩定或失去高速連接。

對于上述兩個問題，一級測試可以應對損耗、長度超標問題，只要損耗、長度測試超過標準就可以判定鏈路質量不合格，而高精度的色散測試則可以發現色散超標的問題。但在實際的現場測試中，色散測試由于成本高昂，缺少現場手持儀表的支持，目前無法普及，并且即便測試不合格，也仍然無法進一步定位問題的準確物理位置，對故障的排除幫助不大。在此情況下，工程師轉而采用高解析度的OTDR測試儀來檢測并發現連接點質量問題和可能的色散問題。這是一種間接的方法，實踐證明其非常實用、有效。圖1是一級測試，圖2是二級測試增加的OTDR曲線。

圖1 測試損耗、長度（雙向）

圖2 測試OTDR曲線（尖峰菲涅耳）

OTDR最基本的檢測機理是這樣的，發光器件將光脈沖注入被測光纖中，此光脈沖能量在光纖中傳輸時會有微弱的反射能量回到發射端，在光纖的機械連接點或斷裂縫隙則會有較強的反射能量回到發射端。其中，光纖末端的反射能量一般都是最強的，如果光纖越長、連接點越遠，則反射信號回到發射端的時間越長，反射回來的信號也就越弱。OTDR接收并記錄這些反射能量，就能根據信號的強弱和屬性判斷出哪里是斷點、哪里是連接點、哪里是熔接點。傳統的OTDR是為測定單模光纖斷點位置而開發的，主要用于長途干線光纖的檢測，它可以測試光纖斷點的物理位置，幫助維護人員快速解決斷纖故障。

高解析度的OTDR主要用于園區網，可以精確分析接收到的反射信號的能量，并判斷各個瑞利或菲涅耳反射對應的“事件點”的屬性。比如，根據反射信號記錄波形的強弱、形狀就可以間接地了解此對應連接點、熔接點的質量。對于高速多模光纖（OM3/OM4），如果連接點偏心，則反射能量會增加，同時損耗也會增加，這些現象都可以從反射信號記錄“波形”上反映出來。同樣地，OM3/OM4鏈路中兩個緊鄰的端接面，如果其折射率由內向外的漸變過程“不同步”也會出現類似現象。另外，更常見的是，如果連接點端面不清潔或有擦傷，同樣也會出現相似的結果。測試儀會仔細的自動判讀這些反射點的信號差異，然后為工程師提供更多的故障提示信息。對于熔接點，如果損耗過高可能會導致有用信號損耗過大或色散增加，仔細判讀這類反射信號也可以獲得更多的質量信息。為此，TSB140標準給出了簡單易行的判斷建議：對連接點/熔接點的損耗及其反射屬性進行判斷，可在最大程度上幫助工程師確定并排除引起鏈路故障的各種“事件”。在測試過程中，TSB140標準對應于“事件表”中各個“事件點”的判定門限的量化標準默認值取自TIA 568B.1標準。不過，由于TSB140是一個開放式標準，因此它允許要求高的用戶修改并自行設定判定門限值。有兩個要點需要提醒讀者，一是將修改后的檢測門限值在驗收合同中注明，以免引起乙方歧義。二是選擇高解析度的OTDR，以便準確識別連接點質量，否則，低解析度的OTDR會將一條2～10m長的跳線也認為是一個連接點，誤判率較高。福祿克網絡生產的OptiFiber光纖認證儀可以識別最短至0.3m的跳線，而不是將其簡單地判為一個事件點。

引起不合格“事件”的原因很多，但最終結果都是增加鏈路的損耗值、色散值和造成幻像干擾。

這些“事件”可來自較差的連接器、熔接點、過度的彎曲（宏彎曲）、捆扎過緊、光纖氣泡、雜質、微彎曲、應力裂紋等問題。通過OTDR曲線的詳細分析，這些潛在的影響高速光纖鏈路性能的“事件”將被發現，定位其精確位置后可采取相應措施排除“故障”。

這些措施包括：更換不合格的光纖、跳線、連接器，查看并清潔受到污損的光纖連接器端面，修復/置換連接器內部斷裂的光纖、重新熔接光纖、解除過度彎曲和捆扎的應力。

圖3 OTDR曲線舉例（223.63m）

圖3所示為一段223.63m長的多模光纖萬兆鏈路，表現為誤碼率高，連接不穩定。讓我們來看看其中都有哪些“事件”影響了鏈路的性能。該鏈路中共有四個連接點、一個熔接點。請對照參看圖4事件表，其中201.69～204.11m一段是一根約2.5m長的跳線。在曲線中可以看到中間比較寬的那個尖峰。從圖4所示的事件表上判斷，整條鏈路的質量是不符合要求的，具體不合格的位置是：151.68m處的連接點損耗太大，需要檢查處理；214.05m處的“跌落”也很差，如果是個熔接點，則此熔接點需要重新熔接，如果是過度彎曲點，則需要“松綁”。結論：長度不超差，但性能不達標，支持萬兆或更高速率需謹慎使用。

進一步分析指出，從OTDR曲線還可以看到，因為沒有在兩頭分別加發射和接收補償光纖，所以本測試結果不包括兩端插頭/插座的端面質量，也就是說，即便我們修復了圖4中的兩個“故障點”，也不能保證次鏈路接入交換機和服務器就一定能正常工作，因為兩端的端面質量我們并不能保證。

經常地，我們可以借助光纖顯微鏡來檢查兩端光纖端面的質量。查看光纖端面需要使用光纖顯微鏡，比如福祿克網絡公司生產的FT500迷你光纖視頻顯微鏡，它可以在小型屏幕上顯示放大端面影像到200倍實時圖像，直觀了解端面質量、損傷和受污染情況。發現有問題的光纖后可以用光纖清潔工具將其清潔干凈。如果是端面損傷或碎裂，則需要重新磨制或更換連接器。如果從OTDR曲線上或事件列表上看到熔接點問題，則需要按照儀器提示的距離找到熔接點并使用光纖熔接機重新熔接。

工程師的常見問題（一）：二級認證測試可以100%地發現高速光纖鏈路的潛在問題？

不能。光纖的損耗問題雖然比較容易發現，但“事件”判斷的一致性確實存在差異，也就是說，不同類型的OTDR發現不合格“事件”的能力是不同的，有的強，有的弱，弱者誤判、漏判率高。這主要取決于OTDR的解析度，而解析度與光纖測試的量程有時候又是互相矛盾的，光纖越長，就需要降低解析度、增大測試光脈沖寬度來滿足長度測試的要求，否則量程可能達不到指標要求，此時可能無助于發現問題事件點。比如，極端的情況下，干線型OTDR甚至會將一根15m的跳線認作是一個“連接點”，這當然談不上準確識別“異?！边B接點（如圖4中201.69m～204.11m處的兩個事件）。不過情況似乎沒有工程師想象的那樣糟，由于長距離光纖多數采用單模光纖，而單模光纖的“升級陣痛”比例很小，一般只是損耗超標（多為端面污損造成），基本不存在色散超標的問題。因此，工程師們經常遇到的還是短距離多模高速光纖鏈路的問題，這類問題在園區網、局域網類型的網絡里面占據大量比例。一般使用園區網類型的高解析度OTDR，就可以較好地測試多模和單模光纖，這對于發現更精細、隱蔽的“事件”和短跳線比較方便。在故障診斷的過程中，還可以根據具體情況進行分段測試，以便精確跟蹤和定位某些疑難故障點。這樣可以提高色散問題的診斷成功率，降低漏判、誤判率。

圖4 對應OTDR曲線的事件列表（判讀門限未定義）

工程師的問題（二）：工程驗收中二級認證普遍？

不普遍。原因之一是長期以來只使用“一級測試”來認證光纖質量，TSB140是伴隨高速光纖應用普及而推出的標準，但關于二級測試的其他相關標準目前較少涉獵；原因是高速光纖的大量使用還是近幾年的事情，遭遇升級陣痛的用戶還比較少，或用戶干脆回避升級鎮痛問題直接考慮建造全新的光纖網絡，因此困惑多來自于少數網管和光纖維護人員，這為解決大量潛在的高速鏈路問題是不利的。

工程師的問題（三）：為什么二級測試合格的鏈路仍然出現誤碼率較高的現象？

有四個原因。一是認證選用的OTDR是干線型的，適合長距離測試，很可能存在解析度不足的問題，無法發現“真正的”事件點。二是測試的時候沒有使用補償光纖。我們知道，測試儀在接收反射信號時，其感光接口由于受到飽和光反射能量的沖擊會存在“事件死區”，“事件死區”會持續一段很短的時間，如果在這段死區內恰恰有不合格事件就不能被發現，這跟用強光手電照射人眼后幾秒鐘內眼睛看不見東西的道理是一樣的。補償光纖是連接在OTDR測試儀與被測光纖鏈路之間的一段高質量光纖，或是連接在被測光纖鏈路末端的一段高質量光纖。如此，接入發射補償光纖后被測光纖真正的起點就從儀器的測試接口轉移到補償光纖的另一端，這樣就可以“避開”儀器接口的死區，保證“被測鏈路”的第一個真實連接點的質量也能被檢測到。多模發射補償光纖長度一般從幾十米到100m，卷繞在一個類似面包的盤纖盒內。在被測鏈路的末端，由于光纖是開路的，所以光脈沖從此射出時遇到的介質是空氣而不是實際在用時的光纖跳線或光模塊端口，這兩類介質對反射能量的影響是不一樣的。因此，為了精確評估末端連接點的質量，此時應該在鏈路末端再連接一段接收補償光纖來仿真端面反射的真實情況。第三，臨時使用了劣質的光纖跳線接入設備造成損耗或色散超標。第四，雖然是最后一條但卻是最常見的原因，光纖鏈路端面污損，端面未裝防塵帽或現場灰塵密度太高、指紋污染等。如圖5、6所示。

圖7是一種補償光纖盒的外形圖，圖8是增加了發射和補償光纖后測試的OTDR曲線。被測鏈路就是兩條虛線間的100m光纖，即從標記為0m處的第一個光纖插座到標記為100m的最后一個插座之間的那部分光纖。從圖中可以看出，兩端的菲涅耳反射不高，尖峰后的瑞利反射“跌落”也很小，是一條質量優良的高速光纖短鏈路。其中在50m處有一根短跳線，連接質量也不錯。

結束語

損耗和色散是多模光纖鏈路安裝特性的最主要的考察因素。低速光纖的質量評估和故障診斷只考察損耗、長度參數就基本上滿足需求，而高速光纖則還要在此基礎上重點考察色散?，F場評估可以使用高解析度的OTDR測試儀來間接地評估引起性能下降的“事件”，它可能包括諸如損耗、長度等信息，也包括色散信息。二級測試就是在一級測試的基礎上增加了高解析度OTDR曲線檢測的一種測試手段，并由此判定是否存在引起性能下降的各種“異常事件”，這對于高速光纖鏈路的質量保證、驗收檢測和故障診斷都具有非常實用的指導意義。當發現有問題的連接點后，我們可以使用光纖顯微鏡進一步檢查或確認，并可用光纖清潔工具幫助解決最常見的端面臟污問題。

圖5 視頻光纖顯微鏡

圖6 光纖端面質量問題（損傷、污漬）

圖7 補償光纖

圖8 發射光纖和接收光纖