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(shè)所應(yīng)用。光纜的應(yīng)用技術(shù)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(guān)注的OM3和OM4光纜。

技術(shù)的出現(xiàn)是為了滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的新需求。那么，光纜的下一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)在哪里？答案是數(shù)據(jù)中心機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)房的建設(shè)必將成為光纜應(yīng)用的一個(gè)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(jìn)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(duì)多模OM1～OM4的光纖對(duì)比。

3 光纖測(cè)試簡介

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

對(duì)于一個(gè)基本的光纖傳輸系統(tǒng)（如圖1所示）進(jìn)行測(cè)試，必須考察測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測(cè)試精度等參數(shù)，下面我們對(duì)系統(tǒng)中的各項(xiàng)逐一進(jìn)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(cè)試系統(tǒng)性能及特點(diǎn)介紹

3.1.1 光源穩(wěn)定性及光源選擇

測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性是個(gè)重要的指標(biāo)，其中光源的穩(wěn)定性尤為重要，因?yàn)榉€(wěn)定的光源有助于直接測(cè)試變化差異。光源的問題，從20世紀(jì)90年代末推出千兆以太網(wǎng)以來，多模光纖測(cè)試中應(yīng)該使用何種光源，一直爭(zhēng)論不休，論題集中在LED和Laser的對(duì)比上。普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為在測(cè)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(luò)設(shè)備使用Laser光源以來，在基于千兆以太網(wǎng)的光纖測(cè)試中，Laser光源體現(xiàn)出最佳的測(cè)試性能。

LED的光源通常會(huì)形成一個(gè)OFL（溢出發(fā)射）的狀態(tài)，這種情況下光源好比一個(gè)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(zhǔn)的連接器附近，都會(huì)形成光信號(hào)的高損耗，當(dāng)然這是在最壞的情況下。然而研究表明，即使在最保守的測(cè)試環(huán)境下，光纖內(nèi)部傳輸過程中的損耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)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(huì)形成一個(gè)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(gè)聚光燈，只有在光纖的纖芯甚至纖芯的中心區(qū)域才會(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，因此在長距離的光纖傳輸測(cè)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(dá)4.7GHz·km的模式帶寬，大多數(shù)的安裝施工者認(rèn)為必須使用Laser光源才能測(cè)試這種激光優(yōu)化類型的光纖。然而，為得到實(shí)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，芯軸很小，它類似一個(gè)“瓶頸”，可以控制LED輸入光纖的光源。

為消除因?yàn)楣庠催x擇問題而引起的測(cè)試混亂，IEC為光纖測(cè)試制定一項(xiàng)新的標(biāo)準(zhǔn)IEC 14763-3，其中第6章對(duì)測(cè)試多模系統(tǒng)所用的光源給出了相關(guān)規(guī)定，具體參數(shù)如表2所示。

表2 多模光源指標(biāo)

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

表3 單模光源指標(biāo)

而一個(gè)遵循標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試任何類型的多模光纖，這就避免了使用LED光源測(cè)試時(shí)還需使用芯軸，同時(shí)也解決了使用Laser光源測(cè)試時(shí)有關(guān)鏈路層損耗報(bào)告不足的問題。

那么，符合IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)定義要求的產(chǎn)品，在實(shí)際應(yīng)用中該如何選擇？

依據(jù)IEC的光纖測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)良好的LED光源可以用來測(cè)試所有的多模光纖設(shè)施，但是，測(cè)試必須考慮預(yù)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(yù)計(jì)的損耗一般在3dB以下。對(duì)LED光源來說，尤其是符合IEC 14763-3 標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量距離。相對(duì)于TIA 568商業(yè)建設(shè)規(guī)范 （2km）的標(biāo)準(zhǔn)，LED光源能很好的滿足應(yīng)用需求，但它不能滿足CCTV等系統(tǒng)長距離的多模鏈路應(yīng)用。在測(cè)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(cè)試需求。

3.1.2 光鏈路的衰減及相應(yīng)測(cè)試

在光通信系統(tǒng)測(cè)試中還有一個(gè)重要的測(cè)試指標(biāo)就是衰減值，衰減值測(cè)試用于認(rèn)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(yīng)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)質(zhì)量。

衰減值可通過人工計(jì)算被測(cè)光纖上的光功率與光源功率之差而得到。相對(duì)于人工計(jì)算的繁瑣，我們現(xiàn)在更多的是使用各種儀表來直接測(cè)量光鏈路的衰減值。而使用儀表進(jìn)行測(cè)量就必須考慮所選儀表的測(cè)量精度，測(cè)試儀器的精度同樣是驗(yàn)證光通信系統(tǒng)能否滿足要求的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)樗庇^的反應(yīng)系統(tǒng)的特性。

以最常用的光功率計(jì)為例，在IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)的第6章中，測(cè)試所選用的光功率計(jì)必須滿足以下條件：

（1）至少能測(cè)量相對(duì)光功率和絕對(duì)光功率的其中之一，對(duì)測(cè)量結(jié)果應(yīng)設(shè)計(jì)采用非模態(tài)分布的處理。

（2）對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的記錄應(yīng)保存至小數(shù)點(diǎn)后一位（例如：14.3dB/m，10.1mW）。

3.2 光鏈路測(cè)試

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

IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)的第8章中對(duì)信道和測(cè)試鏈路的配置，如圖5所示。

圖4 IDEAL FiberMASTER光功率計(jì)

圖5 信道和測(cè)試鏈路的配置

（1）單光源和單功率計(jì)的測(cè)試配置，如圖6所示。

（2）雙工單向光源和光功率計(jì)的測(cè)試配置如圖7所示。

（3）雙工雙向光源和光功率計(jì)的測(cè)試配置，如圖8所示。

根據(jù)以上的測(cè)試配置，測(cè)試結(jié)果可做如下計(jì)算：

圖6 單光源和單功率計(jì)的測(cè)試配置

圖7 雙工單向光源和光功率計(jì)的測(cè)試配置

對(duì)于給定波長，給定傳輸方向的測(cè)試，則損耗計(jì)算公式為L = P0- P1（dB）。

上述計(jì)算的單位為dB，如果計(jì)算的單位為W，則應(yīng)按下面的公式計(jì)算：

L = -10log10（P1/P0）（W）

基于AutoCAD進(jìn)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(jìn)行比較來確定構(gòu)件的具體位置，雖然計(jì)算書的準(zhǔn)確性較高，但施工圖是人工繪制的，構(gòu)件的準(zhǔn)確位置很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，而BIM技術(shù)的施工圖可由三維結(jié)構(gòu)軟件直接導(dǎo)出，構(gòu)件的位置和尺寸等信息準(zhǔn)確性更高，直接讀取即可。

如果是雙向測(cè)試，應(yīng)選擇兩個(gè)測(cè)試結(jié)果損耗值大的為最終測(cè)試結(jié)果。

實(shí)際使用中，我們應(yīng)用較多的是第一種和第三種測(cè)試配置。

第一種單光源和單功率計(jì)的測(cè)試配置相對(duì)簡單，多用于測(cè)試單個(gè)光纖鏈路的損耗值，直接把所測(cè)光纖兩端分別連接光源和光功率計(jì)，實(shí)物連接如圖9所示。

圖9 單光源和單功率計(jì)的測(cè)試實(shí)物連接圖

第三種測(cè)試配置適用于需要測(cè)試雙向雙波長的光鏈路，目前針對(duì)這種配置的應(yīng)用中多需要導(dǎo)出測(cè)試結(jié)果，因此在實(shí)際應(yīng)用中多選用認(rèn)證儀表進(jìn)行測(cè)試，傳統(tǒng)的測(cè)試方法需要4個(gè)步驟才能完成整個(gè)測(cè)試過程，如圖10所示。

圖10 雙向雙波長測(cè)試連接圖

這種方法需要反復(fù)更換適配器才能完成雙向雙波長的測(cè)試過程，使用較繁瑣并且浪費(fèi)時(shí)間。

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

在實(shí)際施工和運(yùn)營維護(hù)中，還可以通過使用紅光源類型的工具對(duì)光鏈路的通斷進(jìn)行快速驗(yàn)證，但是如果需要精確定位故障點(diǎn)，就需要使用OTDR對(duì)光鏈路進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 OTDR的使用簡介

在數(shù)據(jù)中心的實(shí)際施工和測(cè)試應(yīng)用中，OTDR是個(gè)經(jīng)常會(huì)使用到的工具。在IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)OTDR的多種使用都提供了詳細(xì)的描述：

第一種被測(cè)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(cè)試，僅反映當(dāng)前接口和線纜的特性，但這種連接不具備持續(xù)性測(cè)試的特點(diǎn)，不能進(jìn)行任何的定量測(cè)試，同時(shí)由于不具備可以接收光衰減測(cè)量值的遠(yuǎn)端連接器，因此不能用于測(cè)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(cè)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(cè)試，具備對(duì)被測(cè)鏈路持續(xù)性測(cè)試的特點(diǎn)，可以反映被測(cè)線纜和接口的整體性能信息，提供從發(fā)射端到接收端對(duì)被測(cè)線纜的定量測(cè)試，在單向測(cè)試情況下，可以提供對(duì)被測(cè)線纜的光纖信道或鏈路的衰減進(jìn)行定量測(cè)試。在雙向測(cè)試情況下，可以提供被測(cè)線纜的光纖信道或鏈路的衰減進(jìn)行定量測(cè)試。

對(duì)于上述兩種測(cè)試，IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)OTDR的發(fā)射端和接收端本身及兩端的射線也有相關(guān)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(gè)或多個(gè)連接器，適合于連接到OTDR；另一端具備一個(gè)或多個(gè)兼容單模式的連接器，方便與被測(cè)纜線的接口連接。

（3）發(fā)射端內(nèi)對(duì)于創(chuàng)建測(cè)試射線的光纖需具備一定長度，并且需進(jìn)行封閉保護(hù)，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(hù)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(yīng)與發(fā)射端不同，以便區(qū)別。

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

（3）接收端內(nèi)對(duì)于創(chuàng)建測(cè)試射線的光纖需具備一定長度，并且需進(jìn)行封閉保護(hù)。

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

圖14 OTDR測(cè)試永久鏈路

圖15 OTDR測(cè)試信道

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

IDEAL的OTDR符合IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(cè)試需求，快速、準(zhǔn)確定位線纜故障點(diǎn)，如圖16所示。

圖16 IDEAL 33-960型OTDR儀表實(shí)測(cè)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(shí)際應(yīng)用中，光纖本身的缺陷和連接器端面的狀況也是關(guān)系到光鏈路能否長期穩(wěn)定運(yùn)作的一個(gè)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(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

3.4.2 光端口問題分析

IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)中也對(duì)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(duì)連接器端面進(jìn)行檢查，什么樣的檢查設(shè)備又符合要求，同樣在IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)中給出了定義，不僅規(guī)定了使用檢測(cè)設(shè)備的放大鏡的規(guī)格（放大倍數(shù)），同時(shí)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(xué)放大鏡和電子放大鏡，IDEAL的光學(xué)光纖放大鏡完全滿足IEC 14763-3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(duì)于端面的缺陷要求為：

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

標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比圖，如圖21所示。

圖21 符合要求的端面與有缺陷的端面對(duì)比圖

而現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的諸多污染物，例如灰塵等也會(huì)直接影響測(cè)試結(jié)果，此時(shí)就需要專業(yè)的清潔工具對(duì)連接頭端面進(jìn)行清潔。圖22是幾種接頭端面的對(duì)比。

圖22 未清潔與不同方法清潔后的端面對(duì)比圖

3.4.3 儀表的校準(zhǔn)問題

任何儀器在使用一定時(shí)間后，都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，以便維持其測(cè)量的準(zhǔn)確度，圖23是以光功率計(jì)為例。

圖23 校準(zhǔn)示意圖

基本過程為：

（1）用合格的跳線將功率計(jì)與光源連接。

（2）此時(shí)光功率計(jì)屏幕上顯示當(dāng)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(yīng)更換跳線。

（3）按dB/Cal按鈕，存儲(chǔ)參考值，光功率計(jì)屏幕顯示0.00dB，此時(shí)儀表即可進(jìn)行衰減測(cè)試。

（4）反復(fù)按dB/Cal按鈕更改測(cè)量單位。儀表每次進(jìn)入dB模式后，都會(huì)記錄當(dāng)前光功率電平值作為新的參考值，因此，一旦校準(zhǔn)值設(shè)定后，不要退出dB模式，否則需要重新校準(zhǔn)。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖的各項(xiàng)指標(biāo)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(yīng)用。這光鏈路的檢測(cè)伴隨著數(shù)據(jù)中心的整個(gè)項(xiàng)目的生命階段，從前期建設(shè)施工，到投入使用前的驗(yàn)收以及后期的運(yùn)營維護(hù)都將一直存在，只有對(duì)它足夠的重視，才能真正起到對(duì)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的保駕護(hù)航。

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