光纤测试入门alphaFLUKE

光纤测试诊断快速入门(一)衰减值测试福禄克网络公司尹岗 我们通常用衰减量来判断光纤安装的质量，多数时候还要求同时测试光纤的长度，看看是否超过了某种应用的长度限制。另一种情况是，在传输丢包率达不到要求的情况下，还要求测试和评估光纤链路中的连接点、熔接点的质量。以便在高速光纤链路中帮助区分是设备(或者设备上的光模块的)问题，还是光纤链路本身的问题。上述两类测试分别对应地被称作“一级测试”和“二级测试”。一级测试(Tier1)的测试参数就是衰减量和长度；二级测试(Tier2)是在一级测试的基础上再增加OTDR曲线测试，主要目的就是显示光纤链路的结构和其中的各种引起质量问题的“质量事件”。先来看看什么叫“一级测试”。衰减测试最基本原理见图一：在光纤的一端是光源，另一端则接一个光功率计。光的功率单位是dB。则（Po-Pi)就是被测光纤链路的衰减值。衰减=衰减=P0-Pi光源光功率计被测光纤PoPi图一实际测试的时候需要做一点调整，才能保证测试的可操作性，否则，会遇到许多“工程问题”而无法实施测试。首先，实际测试时一般都会使用“测试跳线”，测试结果就应该把这些测试跳线所引入的衰减扣除掉。图二为实际测试时的一个例子：先将光源和光功率计开机，预热5分钟，待光源稳定后将两根测试跳线用光纤耦合器短接，测出P0值。光源光源光功率计测试跳线P0测试跳线光纤耦合器跳线插头将两根测试跳线对接测得新定义的P0值图二光纤连接器/光纤连接器/耦合器图三光源图三光源光功率计测试跳线Pi测试跳线被测光纤光纤耦合器拆开耦合器，加入被测光纤测得Pi然后打开耦合器，加入被测光纤，测出Pi，则这根光纤链路的衰减量＝(P0-Pi)。为什么要一定要用“测试跳线”呢？这是因为按照图一的测试模式可以得到Pi，技术上却难得到P0。使用测试跳线的另一个重要原因就是，光源和光功率计的测试插座在经过一定次数的插拔后磨损程度会增加，精度和稳定性会迅速下降---严格地讲，每次插拔后的P0值都是有偏差的。另外，使用一定次数以后，需要更换费用较高的光源和光功率计的插座。而采用测试跳线的好处是：测试跳线的一端与光源或光功率计相连，另一端与被测光纤链路光源光源光功率计测试跳线Pi被测光纤实际被测试的是一段光纤，不包含两端连接器的衰减图十测试跳线归零耦合器归零耦合器 被测光纤越短，测试精度受耦合器精度波动的影响也越大。这是因为短链路中光纤本身的衰减值很小，耦合器的衰减值相对短光纤则比较大，因此耦合器衰减值出现波动时所占的误差比例就比较高。由于测试时每次插拔耦合器都有可能产生耦合器衰减值的微小波动，而这些微小波动相对于短光纤的衰减值来说不可忽略。因此，短光纤本身的衰减值一般不提倡用“方法C”进行测试。 实际的被测链路通常如图十一和图十二所示。图十一的被测链路包含配线架的连接衰减和墙面板插座的连接衰减。工程验收时经常被测试的就是这种两路。图十二则包含用户跳线和设备跳线及其与光模块的连接衰减，这是故障诊断时经常被测试的链路模式。这两种方法都采用了方法B，这也是工程上能保证测试精度的最常推荐的测试方法(模式)。光源光源光功率计测试跳线Pi补偿跳线配线架插座归零耦合器被测光纤测试跳线图十一墙面板插座方法B：未安装跳线的实际被测光链路(验收时常见)光源光源光功率计测试跳线Pi补偿跳线配线架插座归零耦合器被测光纤测试跳线图十二墙面板插座方法B：含设备和用户跳线的实际被测光链路设备跳线用户跳线 对于实际链路诊断故障时常用改进的方法C进行测试。被测链路不包含设备和用户跳线的“归零衰减”。也就是说，由于设备跳线一端的插头A或用户跳线一端的插头B的质量问题所引起的衰减，被计算在整个链路的衰减值当中。光源光源光功率计测试跳线Pi配线架插座归零耦合器被测光纤测试跳线图十二墙面板插座改进的方法C：含设备和用户跳线的实际被测光链路设备跳线用户跳线归零耦合器AB方法B需要使用三根测试跳线(两根测试跳线，一根补偿光纤)，不是很方便，也不适合某些测试对象和场合。考虑到归零后插拔光功率计上的测试跳线对测试结果影响不大，所以可以采用改进的方法B来进行测试，如图十三、十四所示。光源光源光功率计测试光纤APo图十三改进的方法B：先归零光源光源光功率计测试跳线APi被测光纤改进的方法B：添加“测试跳线B”后进行测试图十四测试跳线B关于测试结果出现“负损耗”，原因简述如下。在光源一端，出光口的光能量耦合效率对端口结构几何尺寸和测试跳线几何尺寸的偏差比较敏感，所以归零以后不允许插拔测试跳线，否则需要重新归零，以免增大测试误差，对短链路测试结果甚至会出现“负损耗”。而在光功率计一端，由于其受光器件面积远远大于光纤截面积，所以归零后插拔光功率计一端的测试跳线对测试结果影响不大，故测试跳线B的引入对测试结果的影响很小。当然，如果测试跳线本身B不合格(没有事先经过测试)，则测试结果也会超差甚至不合格。如果测试跳线A本身不合格(比如端面有灰尘、污渍、纤维)，则测试结果会不稳定甚至为负损耗(比如因端面灰尘、纤维脱落)。在图四所示的方法B中，归零后靠近光源一侧的测试跳线不允许插拔；如果归零用的耦合器本身偏差较大(比如轴向对准偏差较大)，则归零后测试短链路也可能出现负损耗。如果开机后立刻就进行归零操作，由于光源和光功率计均为进入稳定工作状态，测试短链路时也可能出现负损耗。在温差较大的场合需注意开机5-10分钟后再开始归零操作。测试跳线两端的结构尺寸不一致是常见现象，造成双向损耗值不一样，所以测试用跳线预检时也需要双向测试，双向误差一般要求不超过0.01dB。否则测试短链路时也可能出现负损耗。关于光纤直径和光源。光源和光功率计一般会随仪器成套提供，当然也可以单独提供。比如，有时只用光功率计去测量光模块的输出功率或者光接收模块的输入功率，以此判断设备的光接收模块接收到的光信号强度是否复符合要求，或者判断光发送模块发送出的光信号强度是否复合要求。维护人员也可依此功率差值来大致判断光纤是否有问题，此时可不使用配套的测试光源。被测试的光纤有两大类，一类是单模光纤，直径很细，只有8.3微米，其衰减值和色散值都比较小，适合长距离传输光信号。另一类是多模光纤，直径比较粗，常见的有62.5微米直径和50微米直径两种规格。其衰减值特别是色散值比较大，适于短距离传输光信号。通常使用激光光源配合单模光纤来远距离传输光信号，使用LED光源和VCSEL光源配合多模光纤来传输短距离的光信号。与此相对应，测试用的光源有激光光源和LED光源，有时也称作单模光源和多模光源(虽然是不准确的称谓，但却比较流行)，这两种光源一般情况下是不混用的。激光光源的光束汇聚性好(光束发散角很小)，光谱的能量集中，适合于测试长距离单模光纤链路。计算机网络中选用的激光光源常见两个典型的工作波长--1310微米和1550微米(当然还有其它波长)；而LED光源的光束发散角大，能量分散，多用于测试短距离使用的多模光纤，经常使用的LED光源也有两个典型工作波长--850微米和1300微米(当然亦还有其它波长)。VCSEL光源是一种准激光光源，光束发散角比激光光源大一些，适合在多模光纤中测试短距离高速光纤链路。由于VCSEL光源常用于千兆和万兆以太网链路，所以测试用的VCSEL光源一般也用来对应测试这两种应用的光纤链路衰减值。不同的光源测试的损耗结果是不一样的。欲获取精确的测试结果需要测试光源和实际应用的光源一致。比如，测试1G/10G光纤链路宜使用VCSEL光源(如福禄克GFM-2模块)。光纤测试诊断快速入门(二)OTDR测试福禄克网络公司尹岗如果向光纤注入一束持续时间很短的光脉冲(比如100ns)，那么光脉冲能量在向前传输的过程中同时也会有极微弱能量被光纤本身不断地向四面八方散射(瑞利散射)、反射回来，由于所有光纤都存在损耗，因此光纤近端反射的能量较大，而远端反射的能量则较小。这种反射又被称作逆向散射(backscatter)，数量级为1ppm左右。如果我们把“沿途”的这些反射能量都记录下来，就可以画成如图1所示的反射能量曲线(即光时域反射曲线，OTDR曲线)。这个曲线有什么用处呢？图中0m的地方反射强(对应纵坐标约为-0.8dB左右)，是光纤链路的“入口”，而在光纤末端2040m的地方，反射量会较弱(对应纵坐标约为-6.5dB)，我们首先可以用这条曲线推算出这段长约2040m的光纤对反射光的损耗大约为(-0.8-(-6.5))=5.7dB。通常，我们可以用这个损耗值来近似地代替这条光纤本身的前向传输损耗值。图一OTDR曲线(光时域反射曲线)如果光脉冲向前传输时遇到连接器(此处存在一个很窄的空气隙)，由于介质突变，反射能量会很大，最大可达前向总能量的8%(比逆向散射大得多)。图中2040m处的尖峰就是由连接器引起的较强的能量反射。事实上，由于该连接质量不高，尖峰过后出现了一个约2dB的损耗跌落(通常最低要求不超过0.75dB)，这个跌落就是由于连接器质量问题所引起的损耗。所以，我们可以用这个损耗来近似代替连接器的前向传输损耗。仔细观察约2040m-2095m这段55米的短光纤，你会发现除了前面提到的2dB连接器损耗外，55m光纤段自身还有约1dB的损耗(横坐标-8dB-(-9dB)=1dB)。这显然太高了。在约2095m处出现的强“反射峰”，表示这是这条光纤链路的末端。由于末端之后不存在光纤，光子不再“逆向”返回，因此OTDR曲线迅速向坐标“横轴”跌落。末端对应的长度值就是光纤的长度，或是断纤的具体位置。从上面描述的OTDR曲线中，我们可以轻松地获得几个重要的参数：这段光纤长度是2095米–也可能就是断纤的断点长度；在2040米出有一个连接器质量不好(连接器损耗达2dB)；这条光纤在2040~2095米有一段约55米的光纤损耗大，本身质量有问题(1dB损耗)。整段光纤的链路总损耗太大，约为5.7+2+1=8.7dB，问题在2040~2095米一段。这就是用OTDR测试曲线来判断问题的一个例子。可以看到光纤长度、连接器损耗、光纤损耗、链路总损耗等很有用的故障信息，帮助定位故障。下面我们再举几个案例。如图二所示，这是一段约230米的光纤，原先用于运行千兆以太网，在升级为万兆以太网时发现丢包率很高，许多用户反映系统升级后速度不升反降。测试光纤链路的总损耗约为3.5dB，超过标准允许值。维护人员需要迅速定位链路中引起损耗超差的故障点。图二OTDR测试曲线 一般地，维护人员会先检查交换机的光模块配置和光功率，或简单地试着重新插拔一下光纤跳线。接下来则可能怀疑交换机主机是否有问题。稍有经验的维护人员会测试一下这条光纤链路的损耗值，并试着清洁一下光纤跳线。但如果这些手段都不奏效，就需要使用OTDR测试仪来观测了了。它可以提供与曲线对应的“事件表”，不精通曲线分析的一线维护人员可以通过“事件表”迅速了解问题所在的物理位置，如图三所示。请读者对应查看曲线和事件表两图。在102米的地方有一个正常的连接器，损耗值0.19dB，反射尖峰幅度较低，说明连接质量优良；在约152米的地方有一个反射尖峰，幅度适中，但连接器损耗(即OTDR曲线跌落)高达1.73dB，说明此连接器质量较差(存在灰尘的可能性较大)；在约202米的地方有一个连接器尖峰，损耗为0.28，紧随其后有一段长约2米的光跳线(即202米~204米的隐藏事件)，由于这段跳线的总损耗为0.28dB，可以认为质量尚可。在214米处有一个损耗，且无反射尖峰，判断其最大的可能是一个光纤熔接点或者光纤过度弯曲事件。由于损耗值高达0.72dB，被认为超标(最大应不超过0.3dB)。图三与OTDR对应的事件表过量的损耗会加剧信号衰减，在多模光纤链路中还会引入附加的色散值，这将缩短光纤的有效传输长度。室内光纤过度弯曲点通常发生在配线架或设备端口处，与整理跳线的方式不当从而造成弯曲过度有较大关系。以上测试结果基本上可以涵盖中低速光纤链路中的故障诊断定位，掌握了OTDR曲线分析方法可以很快确认问题发生的物理位置。对于不熟悉OTDR曲线解读的维护人员，则可以简单地遵循“事件表”的提示，检查对应的故障位置。不过，在高速光纤链路中，情形远比中低速光纤链路复杂，比如在10G/40G/100G以太网光纤链路中，链路总损耗和连接点损耗符合要求并不意味着链路的误码率一定能符合要求，这是因为总损耗合格并不意味着每个连接器、熔接点都合格，且连接器的过量反射会引起误码率上升，甚至造成连接失败，所以需要考察每个“事件”的单个损耗值和每个连接器的反射值(ORL)。连接器的损耗和反射值(ORL，光回波损耗)是器件质量的两个重要参数，但因为安装过程中存在着误用连接器、指纹污染、唾液污染等情形，连接质量并不是很乐观。关键的误解还在于，这些过量反射点在10/100/1000M等中低速以太网链路中可能并不明显影响链路的误码率。补偿光纤。由于OTDR测试仪端口不能在发射测试脉冲的同时接收反射回来的逆向散射和菲涅耳反射信号(此时间接收器件呈关闭状态)，所以，作为紧邻的第一个连接器(就是仪器测试端口)往往是不能被“看清”的。为此，我们可以认为地在测试仪端口前加上一段光纤，把第一个连接器移到远离测试端口的地方，这样就可以看清第一个被测链路的连接器了。这段人为添加的测试光纤就是“发射补偿光纤”，又称“测试前导光纤”。仪器会在测试结果中会自动减去这段长度。另外，被测链路的终端由于没有连接光纤或光接收器，测试光脉冲将直接射入到空气中。这样，终端端面反射回来的光脉冲就和实际连接有光纤或者光接收器的反射脉冲不同。通常，终端反射比较强，这就是为什么OTDR曲线末端会有一个最高的尖峰。为了“看清”终端端面的质量，此事需要认为地在终端后面加一段光纤来仿真实际反射的状况，以此评估终端端面的质量。这段附加的光纤就叫接收补偿光纤，又叫测试尾纤、后置光纤