數(shù)據(jù)中心的光纖鏈路檢測

文｜美國理想工業(yè)中國有限公司北京代表處 李君英

1 概述

隨著建筑智能化的興起和迅速發(fā)展，光通信系統(tǒng)越來越多的被智能樓宇、辦公園區(qū)和住宅小區(qū)建設所應用。光纜的應用技術與產(chǎn)品也由單模光纜延伸至多模光纜，特別是目前比較關注的OM3和OM4光纜。

技術的出現(xiàn)是為了滿足網(wǎng)絡應用的新需求。那么，光纜的下一個應用熱點在哪里？答案是數(shù)據(jù)中心機房。

接下來的10年，40G乃至100G以太網(wǎng)將成為數(shù)據(jù)中心的主流。高度的傳輸速率和基于OM3標準的激光優(yōu)化光纖解決方案，將成為構(gòu)筑下一代數(shù)據(jù)中心的基本要求。數(shù)據(jù)中心機房的建設必將成為光纜應用的一個新引擎。

2 光纖分類簡介

這里所說的OM3、OM4是根據(jù)鏈路層的速率進行分類，而光纖從物理層方面分類，只存在多模（MM）和單模（SM）之分，表1是簡單對多模OM1～OM4的光纖對比。

3 光纖測試簡介

為保證光纖在數(shù)據(jù)中心機房中發(fā)揮穩(wěn)定高效的作用，就必須保證機房光纖系統(tǒng)的連接可靠，那么如何驗證系統(tǒng)的可靠連接？這就需要對整個鏈路進行有效的測試。

對于一個基本的光纖傳輸系統(tǒng)（如圖1所示）進行測試，必須考察測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測試精度等參數(shù)，下面我們對系統(tǒng)中的各項逐一進行分析。

圖 1 光纖系統(tǒng)示意圖

表1 多模光纖OM1～OM4的區(qū)別

3.1 測試系統(tǒng)性能及特點介紹

3.1.1 光源穩(wěn)定性及光源選擇

測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性是個重要的指標，其中光源的穩(wěn)定性尤為重要，因為穩(wěn)定的光源有助于直接測試變化差異。光源的問題，從20世紀90年代末推出千兆以太網(wǎng)以來，多模光纖測試中應該使用何種光源，一直爭論不休，論題集中在LED和Laser的對比上。普遍的觀點認為在測試中LED光源與Laser或 VCSEL相比顯示出最高的dB損耗，而且從網(wǎng)絡設備使用Laser光源以來，在基于千兆以太網(wǎng)的光纖測試中，Laser光源體現(xiàn)出最佳的測試性能。

LED的光源通常會形成一個OFL（溢出發(fā)射）的狀態(tài)，這種情況下光源好比一個泛光燈，使光纖的纖芯和周圍包覆層的中心區(qū)域都充滿光源，如圖2所示。這種狀態(tài)下，在光纖的彎曲部位和未校準的連接器附近，都會形成光信號的高損耗，當然這是在最壞的情況下。然而研究表明，即使在最保守的測試環(huán)境下，光纖內(nèi)部傳輸過程中的損耗要遠遠高于設備連接器附近的損耗值。

圖2 LED 光源的OFL狀態(tài)

Laser的光源特別是VCSEL的光源會形成一個UFL（非溢出發(fā)射）的狀態(tài)，如圖3所示。這種情況下光源好比一個聚光燈，只有在光纖的纖芯甚至纖芯的中心區(qū)域才會充滿光源，這種狀態(tài)下，由于光束只在纖芯的中心區(qū)域傳輸，因此無論光纖的偏移還是彎曲，只有很低的損耗產(chǎn)生。在UFL的狀態(tài)下，由于連接器的損耗要遠遠低于標準值，因此在長距離的光纖傳輸測試中也只產(chǎn)生非常小的損耗。

圖3 VCSEL Laser 光源的UFL狀態(tài)

目前使用較多的OM3和OM4光纖均可提供高達4.7GHz·km的模式帶寬，大多數(shù)的安裝施工者認為必須使用Laser光源才能測試這種激光優(yōu)化類型的光纖。然而，為得到實際系統(tǒng)損耗的最佳顯示，首選的方式是使用帶芯軸的LED的光源進行現(xiàn)場測試，芯軸很小，它類似一個“瓶頸”，可以控制LED輸入光纖的光源。

為消除因為光源選擇問題而引起的測試混亂，IEC為光纖測試制定一項新的標準IEC 14763-3，其中第6章對測試多模系統(tǒng)所用的光源給出了相關規(guī)定，具體參數(shù)如表2所示。

表2 多模光源指標

同樣，測試單模光纖系統(tǒng)的光源同樣必須符合相關指標，具體參數(shù)如表3所示。

表3 單模光源指標

而一個遵循標準的多模光源，無論是LED還是Laser都必須滿足光源發(fā)射的要求。而滿足這些要求的光源就可以用來測試任何類型的多模光纖，這就避免了使用LED光源測試時還需使用芯軸，同時也解決了使用Laser光源測試時有關鏈路層損耗報告不足的問題。

那么，符合IEC 14763-3標準定義要求的產(chǎn)品，在實際應用中該如何選擇？

依據(jù)IEC的光纖測試標準，一個良好的LED光源可以用來測試所有的多模光纖設施，但是，測試必須考慮預期的使用效果，高帶寬的多模系統(tǒng)一般都僅限于很短的傳輸距離，例如在數(shù)據(jù)中心，預計的損耗一般在3dB以下。對LED光源來說，尤其是符合IEC 14763-3 標準定義的 LED光源，最大的限制因素就是它的輸出功率要比Laser低得多，這就限制了光纖鏈路的最大測量距離。相對于TIA 568商業(yè)建設規(guī)范 （2km）的標準，LED光源能很好的滿足應用需求，但它不能滿足CCTV等系統(tǒng)長距離的多模鏈路應用。在測試長距離傳輸?shù)那闆r下，Laser光源就能提供更大的功率，從而滿足10km或更長距離鏈路的測試需求。

3.1.2 光鏈路的衰減及相應測試

在光通信系統(tǒng)測試中還有一個重要的測試指標就是衰減值，衰減值測試用于認證某條光纖鏈路是否滿足規(guī)定的損耗要求，它可以直接反應數(shù)據(jù)中心的建設質(zhì)量。

衰減值可通過人工計算被測光纖上的光功率與光源功率之差而得到。相對于人工計算的繁瑣，我們現(xiàn)在更多的是使用各種儀表來直接測量光鏈路的衰減值。而使用儀表進行測量就必須考慮所選儀表的測量精度，測試儀器的精度同樣是驗證光通信系統(tǒng)能否滿足要求的一個重要指標，因為它更直觀的反應系統(tǒng)的特性。

以最常用的光功率計為例，在IEC 14763-3標準的第6章中，測試所選用的光功率計必須滿足以下條件：

（1）至少能測量相對光功率和絕對光功率的其中之一，對測量結(jié)果應設計采用非模態(tài)分布的處理。

（2）對所測數(shù)據(jù)的記錄應保存至小數(shù)點后一位（例如：14.3dB/m，10.1mW）。

3.2 光鏈路測試

在正確考慮和選擇所用的穩(wěn)定光源和符合要求的測試儀器后，接著就是對數(shù)據(jù)中心各條完整的光鏈路進行逐條測試。

IEC 14763-3標準的第8章中對信道和測試鏈路的配置，如圖5所示。

圖4 IDEAL FiberMASTER光功率計

圖5 信道和測試鏈路的配置

（1）單光源和單功率計的測試配置，如圖6所示。

（2）雙工單向光源和光功率計的測試配置如圖7所示。

（3）雙工雙向光源和光功率計的測試配置，如圖8所示。

根據(jù)以上的測試配置，測試結(jié)果可做如下計算：

圖6 單光源和單功率計的測試配置

圖7 雙工單向光源和光功率計的測試配置

對于給定波長，給定傳輸方向的測試，則損耗計算公式為L = P0- P1（dB）。

上述計算的單位為dB，如果計算的單位為W，則應按下面的公式計算：

L = -10log10（P1/P0）（W）

基于AutoCAD進行二次開發(fā)的結(jié)構(gòu)施工圖審核軟件需要通過2張施工圖進行比較來確定構(gòu)件的具體位置，雖然計算書的準確性較高，但施工圖是人工繪制的，構(gòu)件的準確位置很容易出現(xiàn)錯誤，而BIM技術的施工圖可由三維結(jié)構(gòu)軟件直接導出，構(gòu)件的位置和尺寸等信息準確性更高，直接讀取即可。

如果是雙向測試，應選擇兩個測試結(jié)果損耗值大的為最終測試結(jié)果。

實際使用中，我們應用較多的是第一種和第三種測試配置。

第一種單光源和單功率計的測試配置相對簡單，多用于測試單個光纖鏈路的損耗值，直接把所測光纖兩端分別連接光源和光功率計，實物連接如圖9所示。

圖9 單光源和單功率計的測試實物連接圖

第三種測試配置適用于需要測試雙向雙波長的光鏈路，目前針對這種配置的應用中多需要導出測試結(jié)果，因此在實際應用中多選用認證儀表進行測試，傳統(tǒng)的測試方法需要4個步驟才能完成整個測試過程，如圖10所示。

圖10 雙向雙波長測試連接圖

這種方法需要反復更換適配器才能完成雙向雙波長的測試過程，使用較繁瑣并且浪費時間。

而IDEAL的光纖認證型光功率計具備行業(yè)內(nèi)獨有的性能，一套設備就可實現(xiàn)雙向測試兩種波長的單模光纖。從而避免了使用多種設備造成在測試過程中不斷更換光纖和手指端設備，從而大大節(jié)省測試時間。

在實際施工和運營維護中，還可以通過使用紅光源類型的工具對光鏈路的通斷進行快速驗證，但是如果需要精確定位故障點，就需要使用OTDR對光鏈路進行檢測。

3.3 OTDR的使用簡介

在數(shù)據(jù)中心的實際施工和測試應用中，OTDR是個經(jīng)常會使用到的工具。在IEC 14763-3標準中對OTDR的多種使用都提供了詳細的描述：

第一種被測鏈路只有一側(cè)連接OTDR的發(fā)射端，這種情況下線纜的模態(tài)分布特征，如圖11所示。

圖11 只有OTDR發(fā)射端的模態(tài)分布

在這種連接狀態(tài)下測試，僅反映當前接口和線纜的特性，但這種連接不具備持續(xù)性測試的特點，不能進行任何的定量測試，同時由于不具備可以接收光衰減測量值的遠端連接器，因此不能用于測量光纖信道或鏈路的衰減（插入損耗）。

第二種OTDR的反射與接收端分別連接被測線纜的兩端，這種情況下線纜的模態(tài)分布特征，如圖12所示。

在這種連接狀態(tài)下測試，具備對被測鏈路持續(xù)性測試的特點，可以反映被測線纜和接口的整體性能信息，提供從發(fā)射端到接收端對被測線纜的定量測試，在單向測試情況下，可以提供對被測線纜的光纖信道或鏈路的衰減進行定量測試。在雙向測試情況下，可以提供被測線纜的光纖信道或鏈路的衰減進行定量測試。

對于上述兩種測試，IEC 14763-3標準對OTDR的發(fā)射端和接收端本身及兩端的射線也有相關規(guī)定。

OTDR的發(fā)射端及射線需滿足：

（1）發(fā)射端射線長于OTDR本身的衰減盲區(qū)。

（2）發(fā)射端的一端具備一個或多個連接器，適合于連接到OTDR；另一端具備一個或多個兼容單模式的連接器，方便與被測纜線的接口連接。

（3）發(fā)射端內(nèi)對于創(chuàng)建測試射線的光纖需具備一定長度，并且需進行封閉保護，如圖13所示。

圖12 具備OTDR發(fā)射端和接收端的模態(tài)分布

圖13 發(fā)射端內(nèi)封閉保護示意圖

OTDR的接收端及射線需滿足：

（1）接收端射線長于OTDR本身的衰減盲區(qū)，但長度應與發(fā)射端不同，以便區(qū)別。

（2）接收端的一端具備一個或多個兼容單模式的連接器，方便與被測纜線的接口連接。

（3）接收端內(nèi)對于創(chuàng)建測試射線的光纖需具備一定長度，并且需進行封閉保護。

按照上述要求，分別將發(fā)射端兩端連接OTDR與被測線纜，將接收端連接被測線纜的另一端，然后設置好范圍、脈沖寬、IOR和平均時間，這樣就可以進行對永久鏈路和信道測試，如圖14、圖15所示。

圖14 OTDR測試永久鏈路

圖15 OTDR測試信道

使用OTDR還可以進行其他測試，包括插入損耗、連接界面或接口的插入損耗、中間接點的插入損耗、探測光纖鏈路長度、定位光纖鏈路中的微彎曲點和定位光纖鏈路中的故障斷點。

IDEAL的OTDR符合IEC 14763-3標準對產(chǎn)品及部件的規(guī)格需求，可滿足各種鏈路的光纖衰減的測試需求，快速、準確定位線纜故障點，如圖16所示。

圖16 IDEAL 33-960型OTDR儀表實測結(jié)果

3.4 光鏈路其他問題分析

3.4.1 光纖本身問題

在數(shù)據(jù)中心的實際應用中，光纖本身的缺陷和連接器端面的狀況也是關系到光鏈路能否長期穩(wěn)定運作的一個重要因素。光纖本身的缺陷有很多，常見的如圖17所示。

圖17 光纖本身缺陷

其次接頭處的各種不合格連接造成的故障，包括接面不匹配、接面有間隙、不同軸或有偏差，都會影響測試結(jié)果。

3.4.2 光端口問題分析

IEC 14763-3標準中也對連接器端面的檢查有所定義。連接器的端面可分為中心區(qū)域和包覆層區(qū)域，包覆層又分為內(nèi)包覆層和外包覆層，如圖18所示。

如何對連接器端面進行檢查，什么樣的檢查設備又符合要求，同樣在IEC 14763-3標準中給出了定義，不僅規(guī)定了使用檢測設備的放大鏡的規(guī)格（放大倍數(shù)），同時也規(guī)定了允許的端面劃痕和凹坑的數(shù)量，如表4所示。

圖18 連接器的端面

表4 端面檢查要求

目前的放大鏡可分為光學放大鏡和電子放大鏡，IDEAL的光學光纖放大鏡完全滿足IEC 14763-3標準對放大鏡規(guī)格的要求，如圖19所示。

圖19 IDEAL 45-332型光纖顯微鏡

此外IDEAL的OTDR也配置了電子放大鏡附件，它同樣可以滿足標準對放大鏡的要求，光纖端面在電子放大鏡下的顯示，如圖20所示。

圖20 IDEAL 33-960型OTDR光纖端面觀察結(jié)果（配合附件）

此外，在正常光照下，對于端面的缺陷要求為：

（1）核心區(qū)域、內(nèi)包覆層區(qū)域應無缺陷（包括光纖內(nèi)部和連接面）。

（2）從內(nèi)包覆層周長外延的25%范圍之內(nèi)應無缺陷（包括光纖內(nèi)部和連接面）。

標準的對比圖，如圖21所示。

圖21 符合要求的端面與有缺陷的端面對比圖

而現(xiàn)實環(huán)境中的諸多污染物，例如灰塵等也會直接影響測試結(jié)果，此時就需要專業(yè)的清潔工具對連接頭端面進行清潔。圖22是幾種接頭端面的對比。

圖22 未清潔與不同方法清潔后的端面對比圖

3.4.3 儀表的校準問題

任何儀器在使用一定時間后，都需要進行校準，以便維持其測量的準確度，圖23是以光功率計為例。

圖23 校準示意圖

基本過程為：

（1）用合格的跳線將功率計與光源連接。

（2）此時光功率計屏幕上顯示當前光功率輸入電平值，如果輸入值低于此電平的光功率，表明跳線衰減過大，應更換跳線。

（3）按dB/Cal按鈕，存儲參考值，光功率計屏幕顯示0.00dB，此時儀表即可進行衰減測試。

（4）反復按dB/Cal按鈕更改測量單位。儀表每次進入dB模式后，都會記錄當前光功率電平值作為新的參考值，因此，一旦校準值設定后，不要退出dB模式，否則需要重新校準。

隨著技術的不斷發(fā)展，光纖的各項指標將不斷更新，光通信系統(tǒng)也將在數(shù)據(jù)中心中得到越來越廣泛的應用。這光鏈路的檢測伴隨著數(shù)據(jù)中心的整個項目的生命階段，從前期建設施工，到投入使用前的驗收以及后期的運營維護都將一直存在，只有對它足夠的重視，才能真正起到對數(shù)據(jù)中心應用的保駕護航。

1 IEC14763-3:2006 Information technology - Implementation and operation of customer premises cabling - Part 3: Testing of optical fiber cabling