光纖布線性能及損耗認證測試

陳育中，王燦田，馮金龍

(1.南京高等職業技術學校，江蘇 南京 210019；2.南京高職校工程檢測有限公司，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，光纖布線需求持續保持增長勢頭。主要優勢有3個方面：一是擴展性好。無須大規模改變物理層，可以輕松實現新的傳輸速率。二是端口密度高。水平垂直布線管理提高了網絡效率，降低了每條線路的成本，還有高密度的端口。三是節能環保。提高管路內的布線密度，用更少的能量達到冷卻效果，減少線材用量。因此，優質的光纖對信號傳輸、延遲以及損耗的影響起著決定性的作用，光纖損耗測試及故障診斷的意義和必要性顯得尤為重要。

1 光纖的發展及標準化動態

1.1 光纖的發展歷史

將電纜替換成光纜進行通信的研究，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”。隨著光纖通信技術不斷發展，歷經PDH，SDH，WDM等幾個階段。

1.2 光纖標準發展趨勢

1980年2月，IEEE802.3 X工作組開始制定以太網標準，隨后，10BASE-5，10BASE-2，10BASE-T，10BASE-F等以太網標準相繼出現。隨著以太網全雙工通信的出現，100 Mbps(高速以太網)、1 Gbps(千兆以太網)、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相繼問世。

1.3 多模光纖標準的最新變化

光纖有單模和多模之分。單模光纖主要應用于連接城市節點之間的核心網絡、連接各地區的城市網絡、連接各家庭或企業的接入網絡；多模光纖主要應用于樓宇內綜合布線系統的骨干網絡或數據中心。隨著互聯網、移動設備、云服務的普及，MIMO空間復用、高階調制、SWDM短波波分復用、單纖雙向傳輸等技術應運而生。

2 市場動態

近5年，全球IP流量增長近3倍。2017年, 每個月的IP流量總量為100.5 EB，以CAGR(年復合增長率)22%的速度增加，2022年已達到300 EB，非PC設備的流量將占IP流量的82%。隨著移動設備的增加、私有云需求的擴大、商業混合云服務的快速普及、工作負載密度的增加、數據流量的不斷提高等多種因素的重疊，全球的總數據中心流量增長至少5倍。

3 光纖布線與認證測試

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

“認證測試”即根據指定的標準測試鋪設的布線系統的傳輸性能，保證鋪設質量可靠，提供正式的測試報告證明完全滿足各標準委員會的相關規定。因此，要求光纖布線工程的施工單位根據需求方提出的布線標準或者應用標準進行認證測試，并向需求方提交測試報告。

3.1 光纖結構

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”，傳輸實際的光信號，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組成，稱為“涂覆層”或者“內層”，保護玻璃纖維并維持強度。局域網布線基礎設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

利用光從空氣照進水中的例子來說明光纖基于全反射的工作原理。當光的入射角比臨界角小時，到達水的表面后光的傳播方向在界面處發生變化，并進入水中。當光以不低于臨界角的角度到達水面時，光就會在水面發生反射。使用折射率來表示該特性，用符號n=c/v表示，即特定媒介中的光速v相對于真空中的光速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，光到達該界面的入射角比臨界角大，不會進入芯層內。

根據上述原理，可以繪制一條與纖芯中心線和臨界角相關的精度α線。若光以小于該角度的方式從光纖的端面射入，就會發生全反射，在纖芯中傳播。該角度也稱“開口率”，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，到達界面時會在包層內發生折射，光不會停留在纖芯內。

3.3 發信號

以太網和光纖通道用于傳輸帶有數字信息的脈沖。位是數字信息的基本單位，用0或者1來表示。數值數據被轉換為數字、其他數據，可以用一連串的二進制符號表示。

實際上，脈沖的上升時間和下降時間都有限制，用來決定系統可傳輸的脈沖數量(速度)的上限。上升時間即光變成“ON”狀態所需的時間，用脈沖的振幅從10%變成90%的值所需的時間來表示。下降時間則是從“ON”變成“OFF”狀態所需的時間。當傳輸速度超過10億 bit/s(數據速率為1 Gbps以上)，由于存在上升時間與下降時間限制，LED光源有可能無法勝任。這些光速的傳輸系統只使用激光光源。若是局域網綜合布線系統，一般廣泛使用垂直腔面發射激光器光源，該光源產生850 nm的波長。

3.4 傳輸可靠性要求及性能指標

發射器光源產生脈沖串時，光纖鏈路傳輸該脈沖串時必須確保高可靠性，從而確保接收方設備的檢測器可以檢測出脈沖的“ON”與“OFF”的真值。要確保可靠傳輸和接收，有4個最根本的性能指標，即通道插入損耗、信號色散、損耗和帶寬。這4個參數對于實現“零誤碼”的可靠傳輸至關重要，但是，現場無法對色散進行測試。網絡布線標準定義了光纖通道的最大長度，該數值與速率、光纖帶寬有關。考慮到多模光纖的色散特性，通常根據實驗室的測量來定義帶寬。

栽培果樹的總目標是要實現速生、早產、豐產、穩產、優質、壽命長和效益高。而實現這些目標，必須緊緊抓住5個環節：①良種是前提，是豐產優質的內因；②立地是基礎條件，劣質荒脊地、低洼易澇地勿用；③防治病蟲是“治安保衛”“質量監督”，防患于未然；④整形修剪是“樹冠組織”工作，有利于達到早產、高產、穩產的目的；⑤肥水是“后勤供給”工作，足則豐產穩產，缺則欠而不穩。五環缺一不可，這就是總則。

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

(2)信號色散。光脈沖在光纖鏈路上傳播的過程中，會由于色散而產生擴散。必須控制色散現象，以防止接收端的光脈沖發生重疊，導致無法識別。

(3)損耗。損耗即衰減量，是在網絡應用標準中最常用的參數。信號必須有足夠的強度，才可以到達光纖鏈路的遠端, 從而確保接收器的檢測器可以正確檢測到并進行解碼。光纖衰減或信號損耗是由于光纖中比光的波長小很多的粒子的不均勻分布或者制造光纖時產生的彎曲造成的。這種不均勻性使得光在進入纖芯時發生部分散射，從而導致光源損失。當玻璃內的雜質與波長大致相等時，波長與損耗成反比，波長越長、損耗越小。彎曲是由于光纖形狀的輕微缺陷導致的，造成彎曲的主要原因有生產過程中的纏繞、纖芯直徑的變化、纖芯與包層界面的粗糙、機械壓迫、拉伸、壓緊、扭轉等。

(4)帶寬。光纖的信息傳輸能力，用比特率表達。帶寬是頻率與距離的乘積，用MHz-km表示。標準規定的帶寬指標有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到千兆速度，較好的方法是測差分模式延遲。

3.5 光纖布線常見故障

光纖是可靠性優良、性價比高的傳輸介質，實際使用中要求將極細的光纖纖芯精確對齊。然而，即便是微小的灰塵，也可能會對光纖端面造成污染而損壞連接，引發各種問題。光纖在布線和使用中，被折斷、熔接不好、光纖端面、灰塵、污垢等現象都是常見故障。

3.6 光纖連接中的注意事項

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連接使用多項拋光技術，將連接頭的接觸端面設計為凸起，從而確保光纖端部可靠地連接在一起。CATV或者高速的長距離單模鏈路，對反射極其敏感。為了解決該問題，將接觸端面設計為8°斜角，使得光纖包層吸收反射。

IEC61300-3-35SMRL(現場及工廠拋光反射損耗)和IEC61300-3-35 SMAPC(針對斜面物理連接頭)提出了PC連接頭的檢驗標準，這些標準可以用于光纖端面清潔度的自動評估。數據中心使用的40 Gbps及100 Gbps的多模光纖網絡，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MPO鏈路進行測試時使用扇形跳線分隔各光纖, 再根據用戶手冊規定的復雜操作進行測試，但是容易發生錯誤。為了克服這一點，必須同時測試12芯光纖，全面測試損耗、極性等，與單獨測試每條光纖的方法相比，可降低97%的時間和費用。

4 測試原理

4.1 行業標準

若要確定全面的指標，應該綜合考慮兩個標準，即綜合布線標準和應用標準，確保鋪設的布線系統滿足預期應用的要求。在安裝網絡設備之前，確保布線系統本身不會造成網絡故障。

4.2 綜合布線系統標準

規定了布線系統的鋪設要求、性能指標以及線纜的特性、長度、連接硬件、屏蔽線、交叉連接、連接最大數量、傳輸性能現場測試及維修保養方法[2]。相關的標準有ISO11801和1SO/IEC14763-3，信息技術——客戶建筑群布線的實施與操作——第三部分光纖布線測試以及ANSI/TIA568D。TIA的版本D由5個光纖布線子標準組成：(1)商用大廈的商用信息通信布線，闡述了整個標準的要點；(2)商用大廈的商用信息通信布線系統，闡述商用大廈的設計要求；(3)闡述了平行雙絞線布線系統相關標準；(4)闡述了布線元器件的性能標準；(5)闡述了寬帶同軸布線系統標準。

4.3 鏈路損耗限值的計算

實驗分析，鏈路的衰減限值計算公式如下。

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(dB/km)×長度(km)；

(2)連接器插入損耗(dB)=連接器的損耗(dB)×連接器的個數；

(3)熔接插入損耗(dB)=熔接損耗(dB)×熔接個數。

局域網綜合布線系統推薦使用的多模光纖的衰減系數，幾乎都是3.0 dB/km。對于單模光纖，OS2單模光纖的衰減系數為0.4 dB/km，OS1的衰減系數低于1.0 dB/km。局域網綜合布線系統標準規定，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，若布線系統的鋪設合理，連接器損耗應該可以遠遠低于0.75 dB。要想確定損耗限值，光纖的長度必須已知或者使用測試工具測得。

5 布線認證與測試

5.1 選擇標準

(1)對鏈路損耗進行測量和評估。使用OLTS(光損耗測試設備)，可以自動測量被測鏈路長度的認證測試，使用LSPM(光源及功率計)的測試工具，則不能測量鏈路長度，為了解釋測量結果必須手動計算。使用時，將光源連接在被測量光纖的一端，功率計連接到另一端。

(2)對鏈路長度進行測量和評估。很多布線標準，為了計算其損耗限值，即光纖在損耗限值中所占的比例，必須知道鏈路長度。長度在認證鏈路是否支持特定的應用標準時有著很重要的作用。

(3)鏈路極性的驗證。步驟1～3是認證測試的最低要求，即“基本認證”或者“Tier1(1級)”測試。“Tier2(2級)”測試在Tier1測試的基礎上增加了OTDR分析(軌跡或者事件表)。OTDR測試可以用于對光纖鏈路內部各組件的性能評估，診斷可能存在的光纖衰減不均、個別連接器或熔接存在損耗過大或其他故障問題。

5.2 認證測試類型

除了標準規定的最小測試步驟外，根據測試儀分為幾個不同的認證類型。

(1)全自動。雙波長、雙鏈路的光纖長度與損耗測量，并自動進行計算，根據行業標準或者自定義的限值判斷是否合格，3 s自動完成測試。

(2)半自動。在輸入了限值以后，用測試儀進行測量并判斷是否合格，可以解決現場測試中復雜的極性問題，對配線盒進行簡單的測試。

(3)手動。用戶必須自己進行所有必要的操作，進行各種連接，測量標準值，并自己判斷鏈路是否合格。

5.3 認證測試過程及要求

判斷結果是否合格時，必須遵循精度和準確度都很高的OLTS或者LSPM測試步驟。如果損耗限值為2.6 dB，即使測量誤差小到0.25 dB，產生的誤差也將近極限值的10%。進行正確有效的測量時，需要著重注意3個方面，即損耗測量的標準值、光源對被測鏈路的激發條件、各測試設備的不同類型的認證測試。

5.4 驗證測試

光纖驗證測試(包括端面檢查與清潔在內)，應該作為標準工作流程來實施。為了確認鋪設工程的質量，應該在整個布線鋪設過程中對每個布線段進行損耗測量[3]，或者在最終的認證測試之前進行損耗測量。這些光纖驗證工具用于復雜鏈路的故障診斷。終端之間的鏈路損耗的快速檢查，除了確認光纖線纜是否可靠，還需確認原因是不是其他網絡設備的運行有問題。

將已知的光源連接到光纖的一端，并將功率計連接在另一端，確認整個光纖鏈路的損耗。為了確保可以進行測試和設置功率損耗計算基準，要對上述光源的參考功率進行測量并保留記錄。確定參考值以后，將光功率計與光源連接到光纖鏈路的兩端進行測試。光源會發出所選波長的連續波，另一端測量光功率計接收的光功率，再與參考功率進行比較，計算出光鏈路的總體損耗量。若總體損耗在被測鏈路的規定極限值以內，則判定結果合格。

6 結語

光纖應用于農業、工業、醫療、軍事等各個領域，質量好壞直接關系到傳輸質量，影響各種應用環節。如何保護光纖，選擇合適的測量標準和測量儀器，再判斷光纖是否合格具有至關重要的作用。在光纖綜合布線系統中，工程技術人員對布線的整個框架、布線要求、傳輸可靠性、損耗計算、故障診斷、測試方法等內容應該有較強的理論知識和嫻熟的專業技能。