光纤链路的现场质量检测方法_BT.doc

光纤链路的现场质量检测方法福禄克公司 尹岗【摘要】本文所描述的现场质量检测是指对光纤的现场参数进行检测，以便确定其是否符合质量标准的要求。现场测试不同于实验室测试，一般使用手持式测试仪，测试内容也相对简单一些，主要的测试内容一是衰减/损耗测试，二是OTDR曲线测试。在北美的TSB140标准中，还特意将这两种现场测试方法定义为一级测试和二级测试。一级测试(Tier 1)就是测试链路衰减值(选测：长度和极性)；二级测试(Tier 2)则是在一级测试的基础上增加OTDR曲线测试(Tier2 = Tier1 + OTDR测试)，以便根据OTDR曲线判定链路中有无引起性能下降的事件-这些“事件”可以是较差的连接器、熔接点、过度的弯曲、捆扎过紧、光纤气泡、应力裂纹等等问题。在低速链路中(比如100Base-SX)，只要一级测试合格，光纤性能问题一般不会引起链路误码率上升或者出现明显的故障现象。但在高速链路中，性能下降最常见的表现就是高速链路的误码率增加(比如10G Base-S)，严重时甚至无法实现高速连接。一、 光纤衰减值现场测试(一级测试 Tier 1)衰减值是光纤链路现场测试的最基本参数，光纤本身因为散射、吸收、弯曲过度和熔接等均可能造成光能量的衰耗，光纤的机械连接也会直接导致光信号能量的衰减。测试衰减值的方法很简单，它被称作OLTS法(Optical Loss Test Sets)。就是用光源先向光功率计发送光能量，光功率计记录收到的初始能量(P0)，然后移开光功率计，将被测光链路“嵌入“到光源和光功率计之中，光源从一端向被测光纤中发送光能量，光功率计在另一端接收通过光纤后的光能量(Pi)，如果光能量是以分贝(dB)为单位的，那么这两个光能量的差值就是被测光纤链路的衰减值(P0 - Pi)。【问题】光源如何向光功率计注入初始光能量P0？光源的信号出口当然不能直接向光功率计注入光能量。光源一般使用一根质量较好的测试跳线(TRC，通常2米左右长度)向光功率计注入光功率，测试跳线TRC与光源输出光功率的耦合效率也是设计光源时需要重点考虑的一个问题。多模62.5um的光纤一般使用同样规格的测试跳线来“短接”到光功率计，多模50um的光纤则使用50um的测试跳线来进行“短接”，不鼓励将50/62.5um的光纤测试跳线混用，因为这需要特殊的连接方法才能保证测试的准确性。用测试跳线短接光源和光功率计后，光功率计上收到的光能量就是初始功率P0。由于存在耦合损失和测试跳线本身带来的衰减，所以光源实际输出的光功率肯定是大于光功率计收到的初始光功率P0的。【问题】被测光链路如何才能“嵌入”到光源和光功率计之间？被测光链路的两端有可能是插座，也有可能是插头，还有可能一端是插座一端是插头，因此不同的链路测试的接入方法也不同。如果两端是插座，则可以将光源和光功率计上的测试跳线TRC直接插入被测链路的两端插座上即可；如果两端是插头，则需要在两端用耦合器来连接测试跳线TRC。TRC是测试参考跳线(Test Reference Cord)缩写。如果被测链路的一端是插座另一端是插头，则只需在被测链路的一端使用耦合器即可。【问题】被测光纤的插座或者插头与测试跳线TRC的插头型号不一致怎么办？比如测试跳线是SC，而被测链路的插座是小型插座LC。三个办法：一是使用转接测试跳线，这种测试跳线的一端是SC，另一端是LC。对于两端都是插座的链路，这种方法比较合适；另一个办法就是使用转接耦合器，这种耦合器两面的插座是不同的，一面可以插入SC测试插头，另一面可以插入LC测试插头。对于两端都是插头的链路，这种方法比较合适。还可以使用一种一端是SC插头，另一端是LC插座的测试跳线。【问题】我是第三方检测评估机构，是否有必要预先准备好各种测试跳线？如果测试的对象多种多样的(经常如此)，那么，是的。【问题】为什么工程测试要求一定要使用测试跳线？测试工具的端口插拔次数过多会因磨损偏差使得光功率计获取的初始功率P0发生漂移，这将严重影响测试的精度。经常性地更换测试插座费用及成本很高，还会影响使用。所以工程测试要求一定使用测试跳线(TRC)，在光功率计获得初始功率P0后就不再拔下插在光源上的测试跳线。这样，执行测试时就只插拔和磨损测试跳线未接光源的另一端，磨损到一定程度后即可自行更换测试跳线，而测试跳线的更换成本远远低于测试插座的更换成本(100:1以上)。【问题】什么光功率计在获得初始功率P0后通常要将此值设为相对“0”功率值？光功率计在获取P0后一般会有一个选择按钮或操作菜单，它将提示操作者可以将此P0值设置为相对“0”功率值。按下此按钮后光功率计就会把此时的光功率值强行认为是“0”功率值。此时若不去掉短接跳线，再次按下测试键，光功率计将显示接收的光信号功率为“0”而不是之前的P0。这样做的好处是：测试衰减值时不需要计算P0 - Pi，因为此时P0已经被设置为相对“0”，所以光功率计上显示的Pi值就是被测光纤链路的衰减值(P0 Pi=0-Pi= - Pi)。请注意，设置“相对零功率”又被称作设置基准值、归零、设置参考值等不同称谓。光 源光功率计短跳线Po用短跳线归零图一【问题】为什么获取P0时用的是一根测试跳线，而正式测试的时候还要在光功率计前面再加一根测试跳线？一条被测链路的衰减值应该是被测链路本身的衰减值加上链路两端机械连接所固有的衰减值。在获取P0时常用一根测试跳线做短接“归零”，此时的P0值在“归零”时去掉了这根短接测试跳线及其两端插头(共三部分)的机械连接所固有的衰减值。“嵌入”被测链路后，在测试的总结果中将会自动“除去”这根短接跳线(共三部分)的衰减值(归零值)，则此测试结果将只包含被测链路及其一端(而非两端)机械连接的固有衰减值-因为另一端的机械连接的固有衰减值在归零时被去掉了。所以，需要增加一根测试跳线来人为地“提供”被测链路另一端机械连接的固有衰减值。细心的读者可能阅读到此就会发现，用另外增加一根测试跳线(比如2米长)的方法来满足工程上的需要会引入一点误差，那就是这根附加测试跳线的光纤衰减值(此值不包含其两端机械连接衰减值)，由于这段2米长的光纤本身衰减值远远小于其两端连接器的固有衰减值，故可以忽略其引入的测试误差。请参加图二。光 源光功率计测试跳线Pi被测光纤图二 嵌入被测试光纤(包含两端连接器的衰减)附加测试跳线插座插座【问题】如果附加测试跳线TRC本身质量有问题怎么办？盲目自信地将一根刚开封的光纤跳线直接当作TRC可能引起测试结果的超差和不确定性。在将一根跳线当作TRC之前，进行需要先检测一下这个附加TRC的衰减值和端面光洁度，单模TRC不要超过0.2dB，多模TRC不要超过0.1dB。光洁度可以使用光纤显微镜来检查。有经验的检测人员会预先准备多根合格的测试跳线供选用。【问题】如何选择测试标准？一条光纤链路的衰减值是不固定的，光纤越长，允许的衰减值就越大。同样地，链路中的连接点和熔接点越多，则允许的衰减值也越大。光纤认证仪器(认证型光功率计)会根据光纤的长度和操作者输入的整条链路中的连接点/熔接点的数量自行计算允许的衰减值后设定一个最高极限值，凡是超过这个极限值的光纤链路就会被其判定为“失败”。由于很难预计光纤在其漫长的生命周期中会支持哪些具体的应用，故上述的极限值(标准值)是针对通用的光纤链路设计的，其对应的标准也是通用标准，比如GB5012-2007、ISO11801、TIA568C等。对于具体的某项应用，比如10G Base-S，要求其使用OM3光纤时长度不能超过300米，衰减值不能超过2.6dB。针对万兆链路10Gbase-S的标准被称作应用型标准。请参见表一。所以，光纤在施工完成后需要先采用通用型标准进行测试并存档。如果确定现在或者近期肯定需要支持某种应用，则可以进行相关应用型标准的检测，如果不能确定具体应用，则可以留待以后(也许在10年后)在选用某种对应的应用时，进行开通/升级前的认证测试。表一 局域网的应用标准【问题】测试结果“失败”怎么办？失败的原因有多种，比如连接点端面污染、光洁度不足、光纤弯曲多读、捆扎过紧、挤压过度、熔接质量差、混接、断裂(截面裂纹)、光纤气泡等等。里面占比例最高的端面污染。需要有针对性地进行故障诊断。【问题】如何提高测试的精确度？前面已经提到，归零后TRC不能从光源上拔出，如果不小心将其拔出，则需要重新归零。由于光源和光功率计均需要开机稳定一段时间才能保证测试的精度漂移符合要求，所以开机后不能立即进行归零设置，一般要视外界温度等待5-10分钟后才能进行归零操作。多模光纤由于存在高次模，这些光子的能量往往无法送达链路的远端，这会造成归零值P0的不准确，所以多模光纤测试建议使用卷轴(又叫心轴，系将测试跳线在直径1英寸的卷轴上缠绕5圈)，卷轴会将高次模过滤，这样入射到被测光纤链路的光能量就基本上是低次模的光能量，测试的准确性得以提高。卷轴的使用注意事项是：必须卷绕在与光源连接的TRC上，卷绕在与光功率计连接的TRC上无效。单模光纤测试不需要卷轴。请参加图三。OLTS法的测试原理决定了使用的光源不同则测试的结果也可能不同，如果你需要测试千兆或者万兆光纤，为达到更高的准确度则需要使用个与千兆或者万兆光卡使用的光模块的发光器件要相同(VCSEL激光光源，与LD激光光源形成的激光能量不同)。图三 卷轴【问题】使用分光器的链路如何测试衰减值？分光器的使用在CATV或者EPON的测试过程中经常遇到。测试衰减值的方法仍然是使用OLTS法，不过由于目前没有关于含分光器链路的国际国内标准，所以测试的结果不作为判断基础，实际的判断需要根据分光比来确定。双向使用的光纤还需要测试反向衰减值，结果的判定可能仍需要人工进行。另一个测试方法则是采用分段法进行测试，即分段测试分光器前后光纤链路的衰减值，结果可以使用通用标准的进行判断。二、 光纤现场OTDR测试(二级测试Tier 2的增加项)【问题】光纤长度如何测试？光纤长度有两种测试方法，一种是飞时法，一种是反射法。飞时法是用两根等长光纤来完成测试的(比如计算机网络一般都成对使用光纤)，测试的原理很简单：将一对等长的被测光纤对端短路形成自环，检测光信号一个来回所用的时间，其一半时间所对应的长度就是被测光纤的长度。用OLTS法测试衰减时可以附加飞时法测试光纤的长度(比如DTX-1800MS)。飞时法需要用两根光纤才能完成测试。请参加图四。Fiber #1SourceDetectorDetectorFiber #2Source图四 计算机网络中通常成对使用光纤反射法(OTDR)则是利用光信号传送到对端后会反射回来这一特性来进行长度测试的。检测光脉冲来回所用的时间，其一半时间对应的长度就是光纤链路的长度。反射法只用一根就可以完成测试。可以使用标准的OTDR来测试光纤长度(比如福禄克的OptiFiber光纤认证测试仪)，也可以使用廉价的简化的OTDR来测试光纤长度(只显示长度，不显示OTDR曲线，比如福禄克的Fiber OneShot光纤长度测试仪)。长度测试的意义除了在于知道一根光纤的长度外，最常见的意义就在于了解光纤断点的准确位置，这在排除故障时非常有用。【问题】什么是高速光纤链路的升级阵痛？低速光纤也需要二级认证测试吗？早期的OTDR只是用于测试并定位光纤的断点或显示长度，并不用于质量评估。升级阵痛一般是指系统从低速链路向高速链路升级时出现的性能明显下降的现象。在以太网设备中，则特指光纤从千兆向万兆升级的时候出现的一种特定故障现象。其特征表现是：系统在千兆时应用很正常，但向万兆升级时则出现误码率增加甚至完全不能连通的故障现象。按照10Gbase-S应用标准检查链路，链路的衰减值不超标(2.6dB)，长度不超标(300米)，类型无差错(是OM3万兆光纤)。请参见表一。升级阵痛很容易让人怀疑是万兆设备或万兆模块的问题，经过长时间检查和尝试着更换模块/设备后仍然不能解决问题，最后才怀疑是光纤链路的问题-采用OLTS法测试仍然合格。解除升级阵痛需要进行光纤二级测试，即在原来一级测试的基础上增加OTDR曲线测试，判断有无引起性能下降的事件(如较差的连接点或熔接点)。对于已经安装的高速光纤(比如OM3万兆多模光纤)，虽然现在实际使用的是低速应用(比如100base-F)，也需要进行二级认证测试。但由于国标中尚未对高速光纤的检测要求进行修订和补充，故有此要求的甲方只能在合同中与乙方专门约定使用应采用TSB-140标准进行高速光纤的二级认证测试，并在合同中约定可接受的检测门限值。【问题】OTDR的测试原理是什么？光沿着光纤向前传输，但沿途也有微量的光会被反射回来，这就好像用手电照到雾，我们可以看到眼前有白色的雾气(反光)。如果空气当中没有雾也没有尘埃等杂质，那么我们是“看”不见眼前的空气的(手电发出的光不会被纯净的空气反射回来)。正是利用光纤当中这种微弱的反射光(学名瑞利散射)，我们就可以判断光纤的衰减值-因为光纤越近我们收到的反射光越强，越远则越弱，这种强弱之间的差值就反映了一段光纤的衰减值。在遇到光纤接头时，反射会很强(比瑞利散射强一万倍，学名叫菲涅尔反射)，根据接收到的光强度，我们就知道这是一个接头。类似地，熔接点处只有反射光突然地减弱现象，我们据此就知道这是一个熔接点。请参见图五。图五 OTDR曲线(反射峰是接头，下跌处是熔接点)【问题】OTDR测试能帮助减少升级阵痛现象吗？OTDR是光时域反射计(Optical Time Domain Reflection)的缩写。升级阵痛中有一个特点是一级测试合格(总衰减和总长度不超标)，但这并不代表光链路中每个连接点或者熔接点的衰减值都符合要求。OTDR原始的用途是被设计来查找光纤的断点，以便迅速找到被施工弄断的光纤的具体位置，近10年来OTDR的用途被大大扩展，其中一个主要用途就是用来判断链路中每个连接点、熔接点的衰减值和反射值(ORL)，我们可以根据曲线指示的位置找到这个导致链路误码率上升的“故障点”。用于解决升级阵痛的OTDR和用于定位断点位置的OTDR功能有所不同，前者要求分辨率高，能识别甚至1米的跳线，主要用于园区网/局域网中检测诊断大量的短距离、高密度和多跳接的光纤链路；后者则要求测试距离远(比如100-200公里，对应的动态范围大)，对分辨率要求低(甚至无法认出15米的跳线)，主要用于干线光纤特别是单模光纤的测试。一个既能测试长距离有具备很高分辨率的OTDR可能造价远远超过用户的接收能力，只能有极少数用户会需要它。【问题】我的光纤链路多数很短，但中间的连接或者转接比较多，我该使用那种OTDR？很显然，这是局域网/园区网类型的用户，应该使用高分辨率(高解析度)的OTDR，为了适应局域网/园区网的测试范围，并兼顾制造成本，这类OTDR的测试距离和动态范围一般都不大。【问题】OTDR估算法和OLTS法哪个测试的衰减值更准确？哪个方法更好？既然OTDR也能根据反射光的强度(对应距离)估算衰减值，那么何不就用OTDR的估算值来代替OLTS测试的衰减值？从精度来看，当然是OLTS的仿真度和精确度高，所以衰减值认证测试的结果均要求使用OLTS，但OTDR曲线可以用于快速估算衰减值，特别有利于诊断故障的时候做快速参考和定位。OLTS是双端测试，而OTDR是单端测试。【问题】二级测试中定义的OTDR测试有提供相关的通过/失败评判标准吗？目前二级测试的标准只有TSB140定义，主要就是为了解决升级阵痛的问题。其中的衰减值门限是开放的-即允许用户自行定义合格与否的门限制(默认的判据