光纤布线性能及损耗认证测试

陈育中，王灿田，冯金龙

(1.南京高等职业技术学校，江苏 南京 210019；2.南京高职校工程检测有限公司，江苏 南京 210019)

0 引言

由于终端用户在性能上有多元化的要求，光纤布线需求持续保持增长势头。主要优势有3个方面：一是扩展性好。无须大规模改变物理层，可以轻松实现新的传输速率。二是端口密度高。水平垂直布线管理提高了网络效率，降低了每条线路的成本，还有高密度的端口。三是节能环保。提高管路内的布线密度，用更少的能量达到冷却效果，减少线材用量。因此，优质的光纤对信号传输、延迟以及损耗的影响起着决定性的作用，光纤损耗测试及故障诊断的意义和必要性显得尤为重要。

1 光纤的发展及标准化动态

1.1 光纤的发展历史

将电缆替换成光缆进行通信的研究，源于1966年STL研究所高馄博士的研究。1970年，第一代可商用的光纤及半导体激光器研制成功，这一年被称为“光纤通信元年”。随着光纤通信技术不断发展，历经PDH，SDH，WDM等几个阶段。

1.2 光纤标准发展趋势

1980年2月，IEEE802.3 X工作组开始制定以太网标准，随后，10BASE-5，10BASE-2，10BASE-T，10BASE-F等以太网标准相继出现。随着以太网全双工通信的出现，100 Mbps(高速以太网)、1 Gbps(千兆以太网)、100BASE-FX(多模半双工、全双工、单模光纤全双工)和基于铜缆布线的100BASE-T相继问世。

1.3 多模光纤标准的最新变化

光纤有单模和多模之分。单模光纤主要应用于连接城市节点之间的核心网络、连接各地区的城市网络、连接各家庭或企业的接入网络；多模光纤主要应用于楼宇内综合布线系统的骨干网络或数据中心。随着互联网、移动设备、云服务的普及，MIMO空间复用、高阶调制、SWDM短波波分复用、单纤双向传输等技术应运而生。

2 市场动态

近5年，全球IP流量增长近3倍。2017年, 每个月的IP流量总量为100.5 EB，以CAGR(年复合增长率)22%的速度增加，2022年已达到300 EB，非PC设备的流量将占IP流量的82%。随着移动设备的增加、私有云需求的扩大、商业混合云服务的快速普及、工作负载密度的增加、数据流量的不断提高等多种因素的重叠，全球的总数据中心流量增长至少5倍。

3 光纤布线与认证测试

LAN(局域网)和企业网络综合布线，包括最大距离为2～5 km的用户网络，楼宇内部、园区以及楼宇之间的布线。双绞线布线系统，一般连接终端用户或边缘网络，最大可支持100 m的距离；光纤布线主要用于长距离、宽带连接，适用于楼内干线超过100 m的垂直线缆。

“认证测试”即根据指定的标准测试铺设的布线系统的传输性能，保证铺设质量可靠，提供正式的测试报告证明完全满足各标准委员会的相关规定。因此，要求光纤布线工程的施工单位根据需求方提出的布线标准或者应用标准进行认证测试，并向需求方提交测试报告。

3.1 光纤结构

光纤由纯度极高的透光玻璃纤维束组成，周围被缓冲体包围。玻璃纤维束的中心称为“纤芯”，传输实际的光信号，将光限制在纤芯中的玻璃层称为“包层”。光纤的外层皮由塑料材质组成，称为“涂覆层”或者“内层”，保护玻璃纤维并维持强度。局域网布线基础设施中使用的多模光纤纤芯直径为62.5 μm，50 μm，单模光纤是直径为9 μm。

3.2 反射与折射

利用光从空气照进水中的例子来说明光纤基于全反射的工作原理。当光的入射角比临界角小时，到达水的表面后光的传播方向在界面处发生变化，并进入水中。当光以不低于临界角的角度到达水面时，光就会在水面发生反射。使用折射率来表示该特性，用符号n=c/v表示，即特定媒介中的光速v相对于真空中的光速c的比例[1]。

真空中的折射率n真空=l(v=c)，空气和水的折射率比真空中略高，n空气=1.003，n水=1.333。折射率n越大，该物体中的光速就越慢。因此，空气中的光比水中更快。光纤纤芯的折射率比包层大，纤芯的折射率为1.47，包层的折射率约为1.45。在纤芯与包层之间的界面上，光到达该界面的入射角比临界角大，不会进入芯层内。

根据上述原理，可以绘制一条与纤芯中心线和临界角相关的精度α线。若光以小于该角度的方式从光纤的端面射入，就会发生全反射，在纤芯中传播。该角度也称“开口率”，表示光纤的汇聚能力。若光以不低于该角度的方式从光纤的端面入射，到达界面时会在包层内发生折射，光不会停留在纤芯内。

3.3 发信号

以太网和光纤通道用于传输带有数字信息的脉冲。位是数字信息的基本单位，用0或者1来表示。数值数据被转换为数字、其他数据，可以用一连串的二进制符号表示。

实际上，脉冲的上升时间和下降时间都有限制，用来决定系统可传输的脉冲数量(速度)的上限。上升时间即光变成“ON”状态所需的时间，用脉冲的振幅从10%变成90%的值所需的时间来表示。下降时间则是从“ON”变成“OFF”状态所需的时间。当传输速度超过10亿 bit/s(数据速率为1 Gbps以上)，由于存在上升时间与下降时间限制，LED光源有可能无法胜任。这些光速的传输系统只使用激光光源。若是局域网综合布线系统，一般广泛使用垂直腔面发射激光器光源，该光源产生850 nm的波长。

3.4 传输可靠性要求及性能指标

发射器光源产生脉冲串时，光纤链路传输该脉冲串时必须确保高可靠性，从而确保接收方设备的检测器可以检测出脉冲的“ON”与“OFF”的真值。要确保可靠传输和接收，有4个最根本的性能指标，即通道插入损耗、信号色散、损耗和带宽。这4个参数对于实现“零误码”的可靠传输至关重要，但是，现场无法对色散进行测试。网络布线标准定义了光纤通道的最大长度，该数值与速率、光纤带宽有关。考虑到多模光纤的色散特性，通常根据实验室的测量来定义带宽。

栽培果树的总目标是要实现速生、早产、丰产、稳产、优质、寿命长和效益高。而实现这些目标，必须紧紧抓住5个环节：①良种是前提，是丰产优质的内因；②立地是基础条件，劣质荒脊地、低洼易涝地勿用；③防治病虫是“治安保卫”“质量监督”，防患于未然；④整形修剪是“树冠组织”工作，有利于达到早产、高产、稳产的目的；⑤肥水是“后勤供给”工作，足则丰产稳产，缺则欠而不稳。五环缺一不可，这就是总则。

(1)通道插入损耗。通道是指发射器与接收器两端之间的传输媒介。从发射器到接收器的传输媒介上所允许的最大信号损耗，即信号的衰减量，是光纤布线、连接器、接头等产生的总损耗。

(2)信号色散。光脉冲在光纤链路上传播的过程中，会由于色散而产生扩散。必须控制色散现象，以防止接收端的光脉冲发生重叠，导致无法识别。

(3)损耗。损耗即衰减量，是在网络应用标准中最常用的参数。信号必须有足够的强度，才可以到达光纤链路的远端, 从而确保接收器的检测器可以正确检测到并进行解码。光纤衰减或信号损耗是由于光纤中比光的波长小很多的粒子的不均匀分布或者制造光纤时产生的弯曲造成的。这种不均匀性使得光在进入纤芯时发生部分散射，从而导致光源损失。当玻璃内的杂质与波长大致相等时，波长与损耗成反比，波长越长、损耗越小。弯曲是由于光纤形状的轻微缺陷导致的，造成弯曲的主要原因有生产过程中的缠绕、纤芯直径的变化、纤芯与包层界面的粗糙、机械压迫、拉伸、压紧、扭转等。

(4)带宽。光纤的信息传输能力，用比特率表达。带宽是频率与距离的乘积，用MHz-km表示。标准规定的带宽指标有3种，即全模式带宽、限定模式带宽、激光带宽或者有效模式带宽。若想确保光纤链路的带宽达到千兆速度，较好的方法是测差分模式延迟。

3.5 光纤布线常见故障

光纤是可靠性优良、性价比高的传输介质，实际使用中要求将极细的光纤纤芯精确对齐。然而，即便是微小的灰尘，也可能会对光纤端面造成污染而损坏连接，引发各种问题。光纤在布线和使用中，被折断、熔接不好、光纤端面、灰尘、污垢等现象都是常见故障。

3.6 光纤连接中的注意事项

PC(物理接触)连接器，减少了光纤之间的空隙，从而减少损耗和反射。连接器连接后如果有空隙，一般情况下回波损耗为30～50 dB(0.1%～0.001 %)。PC连接使用多项抛光技术，将连接头的接触端面设计为凸起，从而确保光纤端部可靠地连接在一起。CATV或者高速的长距离单模链路，对反射极其敏感。为了解决该问题，将接触端面设计为8°斜角，使得光纤包层吸收反射。

IEC61300-3-35SMRL(现场及工厂抛光反射损耗)和IEC61300-3-35 SMAPC(针对斜面物理连接头)提出了PC连接头的检验标准，这些标准可以用于光纤端面清洁度的自动评估。数据中心使用的40 Gbps及100 Gbps的多模光纤网络，使用12芯MTP/MP0(多芯插拔式)连接头，每条链路使用8芯或20芯的平行光纤。

通常，对MPO链路进行测试时使用扇形跳线分隔各光纤, 再根据用户手册规定的复杂操作进行测试，但是容易发生错误。为了克服这一点，必须同时测试12芯光纤，全面测试损耗、极性等，与单独测试每条光纤的方法相比，可降低97%的时间和费用。

4 测试原理

4.1 行业标准

若要确定全面的指标，应该综合考虑两个标准，即综合布线标准和应用标准，确保铺设的布线系统满足预期应用的要求。在安装网络设备之前，确保布线系统本身不会造成网络故障。

4.2 综合布线系统标准

规定了布线系统的铺设要求、性能指标以及线缆的特性、长度、连接硬件、屏蔽线、交叉连接、连接最大数量、传输性能现场测试及维修保养方法[2]。相关的标准有ISO11801和1SO/IEC14763-3，信息技术——客户建筑群布线的实施与操作——第三部分光纤布线测试以及ANSI/TIA568D。TIA的版本D由5个光纤布线子标准组成：(1)商用大厦的商用信息通信布线，阐述了整个标准的要点；(2)商用大厦的商用信息通信布线系统，阐述商用大厦的设计要求；(3)阐述了平行双绞线布线系统相关标准；(4)阐述了布线元器件的性能标准；(5)阐述了宽带同轴布线系统标准。

4.3 链路损耗限值的计算

实验分析，链路的衰减限值计算公式如下。

链路的衰减限值(dB)=线缆损耗(dB)+连接器插入损耗(dB)+熔接插入损耗(dB)，其中：

(1)线缆损耗(dB)=最大线缆损耗系数(dB/km)×长度(km)；

(2)连接器插入损耗(dB)=连接器的损耗(dB)×连接器的个数；

(3)熔接插入损耗(dB)=熔接损耗(dB)×熔接个数。

局域网综合布线系统推荐使用的多模光纤的衰减系数，几乎都是3.0 dB/km。对于单模光纤，OS2单模光纤的衰减系数为0.4 dB/km，OS1的衰减系数低于1.0 dB/km。局域网综合布线系统标准规定，连接器允许的最大损耗为0.75 dB，熔接允许的最大损耗为0.3 dB。一般情况下，若布线系统的铺设合理，连接器损耗应该可以远远低于0.75 dB。要想确定损耗限值，光纤的长度必须已知或者使用测试工具测得。

5 布线认证与测试

5.1 选择标准

(1)对链路损耗进行测量和评估。使用OLTS(光损耗测试设备)，可以自动测量被测链路长度的认证测试，使用LSPM(光源及功率计)的测试工具，则不能测量链路长度，为了解释测量结果必须手动计算。使用时，将光源连接在被测量光纤的一端，功率计连接到另一端。

(2)对链路长度进行测量和评估。很多布线标准，为了计算其损耗限值，即光纤在损耗限值中所占的比例，必须知道链路长度。长度在认证链路是否支持特定的应用标准时有着很重要的作用。

(3)链路极性的验证。步骤1～3是认证测试的最低要求，即“基本认证”或者“Tier1(1级)”测试。“Tier2(2级)”测试在Tier1测试的基础上增加了OTDR分析(轨迹或者事件表)。OTDR测试可以用于对光纤链路内部各组件的性能评估，诊断可能存在的光纤衰减不均、个别连接器或熔接存在损耗过大或其他故障问题。

5.2 认证测试类型

除了标准规定的最小测试步骤外，根据测试仪分为几个不同的认证类型。

(1)全自动。双波长、双链路的光纤长度与损耗测量，并自动进行计算，根据行业标准或者自定义的限值判断是否合格，3 s自动完成测试。

(2)半自动。在输入了限值以后，用测试仪进行测量并判断是否合格，可以解决现场测试中复杂的极性问题，对配线盒进行简单的测试。

(3)手动。用户必须自己进行所有必要的操作，进行各种连接，测量标准值，并自己判断链路是否合格。

5.3 认证测试过程及要求

判断结果是否合格时，必须遵循精度和准确度都很高的OLTS或者LSPM测试步骤。如果损耗限值为2.6 dB，即使测量误差小到0.25 dB，产生的误差也将近极限值的10%。进行正确有效的测量时，需要着重注意3个方面，即损耗测量的标准值、光源对被测链路的激发条件、各测试设备的不同类型的认证测试。

5.4 验证测试

光纤验证测试(包括端面检查与清洁在内)，应该作为标准工作流程来实施。为了确认铺设工程的质量，应该在整个布线铺设过程中对每个布线段进行损耗测量[3]，或者在最终的认证测试之前进行损耗测量。这些光纤验证工具用于复杂链路的故障诊断。终端之间的链路损耗的快速检查，除了确认光纤线缆是否可靠，还需确认原因是不是其他网络设备的运行有问题。

将已知的光源连接到光纤的一端，并将功率计连接在另一端，确认整个光纤链路的损耗。为了确保可以进行测试和设置功率损耗计算基准，要对上述光源的参考功率进行测量并保留记录。确定参考值以后，将光功率计与光源连接到光纤链路的两端进行测试。光源会发出所选波长的连续波，另一端测量光功率计接收的光功率，再与参考功率进行比较，计算出光链路的总体损耗量。若总体损耗在被测链路的规定极限值以内，则判定结果合格。

6 结语

光纤应用于农业、工业、医疗、军事等各个领域，质量好坏直接关系到传输质量，影响各种应用环节。如何保护光纤，选择合适的测量标准和测量仪器，再判断光纤是否合格具有至关重要的作用。在光纤综合布线系统中，工程技术人员对布线的整个框架、布线要求、传输可靠性、损耗计算、故障诊断、测试方法等内容应该有较强的理论知识和娴熟的专业技能。