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光纖測試診斷快速入門(一)衰減值測試福祿克網(wǎng)絡公司 尹 崗我們通常用衰減量來判斷光纖安裝的質量，多數(shù)時候還要求同時測試光纖的長度，看看是否超過了某種應用的長度限制。另一種情況是，在傳輸丟包率達不到要求的情況下，還要求測試和評估光纖鏈路中的連接點、熔接點的質量。以便在高速光纖鏈路中幫助區(qū)分是設備(或者設備上的光模塊的)問題，還是光纖鏈路本身的問題。上述兩類測試分別對應地被稱作“一級測試”和“二級測試”。一級測試(Tier 1)的測試參數(shù)就是衰減量和長度；二級測試(Tier 2)是在一級測試的基礎上再增加OTDR曲線測試，主要目的就是顯示光纖鏈路的結構和其中的各種引起質量問題的“質量事件”。先來看看什么叫“一級測試”。衰減測試最基本原理見圖一：在光纖的一端是光源，另一端則接一個光功率計。光的功率單位是dB。則（Po-Pi)就是被測光纖鏈路的衰減值。衰減= P0-Pi光 源光功率計被測光纖PoPi圖一 實際測試的時候需要做一點調整，才能保證測試的可操作性，否則，會遇到許多“工程問題”而無法實施測試。首先，實際測試時一般都會使用“測試跳線”，測試結果就應該把這些測試跳線所引入的衰減扣除掉。圖二為實際測試時的一個例子：先將光源和光功率計開機，預熱5分鐘，待光源穩(wěn)定后將兩根測試跳線用光纖耦合器短接，測出P0值。光 源光功率計測試跳線P0測試跳線光纖耦合器跳線插頭將兩根測試跳線對接測得新定義的P0值圖二光纖連接器/耦合器圖三光 源光功率計測試跳線Pi測試跳線被測光纖光纖耦合器拆開耦合器，加入被測光纖測得Pi然后打開耦合器，加入被測光纖，測出Pi，則這根光纖鏈路的衰減量(P0-Pi)。為什么要一定要用“測試跳線”呢？這是因為按照圖一的測試模式可以得到Pi，技術上卻難得到P0。使用測試跳線的另一個重要原因就是，光源和光功率計的測試插座在經過一定次數(shù)的插拔后磨損程度會增加，精度和穩(wěn)定性會迅速下降-嚴格地講，每次插拔后的P0值都是有偏差的。另外，使用一定次數(shù)以后，需要更換費用較高的光源和光功率計的插座。而采用測試跳線的好處是：測試跳線的一端與光源或光功率計相連，另一端與被測光纖鏈路相連，在一整天或半天的測試工作中一般測試跳線不會從儀器上拔下來，這樣被磨損的就只是測試跳線的一端。測試插頭被磨損到一定程度后，就可以更換測試跳線，更換測試跳線的費用比更換儀器插座的費用要低得多(100:1以上價格差距)。建議：標記測試跳線插入儀器的那一端，每次都使用此端，可減少漂移，保證精度。上面的測試方法有一點小小的不便-結測試完畢需要做一次減法運算(P0-Pi)，才能得出被測光纖的實際衰減值。在光源穩(wěn)定后，不拔出光源上連接的測試跳線，這樣可認為P0是恒定不變的，我們把此時的P0設為“相對零”(即在光功率計上按下“參考”鍵)，即強行認為P0=參考零功率，這樣就不必去做P0-Pi的運算了-這個在測試前進行的預備操作，也經常被稱作“歸零”、“設參考零”或“設置基準值”。這樣，在接入被測光纖后，光功率計上測得的值就是光纖的衰減值(P0-Pi)，無須再做減法運算。衰減值的單位通常用dB(分貝)來表示，這個值可直接存入光功率計的測試報告中。采用預先設“參考零”值的測試方法，很適合進行大批量的光纖測試工作。因此，測試光纖的衰減量時一般都有一個測試前的“歸零”程序，即按圖二的方法連接儀器先設置“參考零”(按下“參考”或“歸零”鍵)。然后才按圖三的模式進行實際測試?！暗湫汀钡谋粶y光纖鏈路其衰減值由三部分構成，即：被測光纖本身的衰減值加上“兩端”連接器各自的衰減值。但細心的讀者仔細觀察圖三后會發(fā)現(xiàn)一個問題：在圖二中設置“參考零”時，已將2根測試跳線的“光纖衰減值”、1個耦合器的“耦合衰減”和2個儀器插座的“接入衰減”共五部分包含在了“參考零”當中。所以，圖三的測試結果只包含了被測光纖本身的衰減值及其一端連接器的“耦合衰減”這兩部分的衰減，另一端連接器的耦合衰減則沒有包括在被測光纖鏈路中-因為此連接器的衰減已在設置參考零時被“歸零”了。也就是說，測出的衰減結果是“被測光纖及其一端連接器”的衰減值，而非期望的“被測光纖 及其兩端連接器”的衰減。多數(shù)情況下我們考察的都是被測光纖及其兩端連接器的衰減值，那么圖三這種測試方法就是不準確的。請參見圖四和圖五的注釋。光 源光功率計測試跳線Po測試跳線歸零耦合器設“參考零”時共包含三個連接器和兩段光纖的衰減圖四已歸零被測連接器被測連接器光 源光功率計測試跳線Pi被測光纖實際被測試的是被測光纖及其“一端”連接器的衰減圖五已歸零測試跳線在光纖長度很長時，整個鏈路衰減值中光纖的衰減值占的比例大，連接器的衰減相對比較小(可忽略)，故此時可以近似地認為測得的衰減值就是光纖加上兩端連接器的衰減值。但在光纖較短時，整個鏈路衰減值中兩端連接器的衰減值占了相當大的比例，這種測試就是不正確的。這也是造成短鏈路測試經常不合格的一個主要原因。歸零時已包含了三個連接器和兩段跳線的衰減光 源光功率計測試跳線Pi補償跳線被測連接器歸零耦合器被測光纖測試跳線圖六被測連接器所以，為了比較準確地測試光纖鏈路的衰減，需再做一點調整和改進，請參見圖六。按圖二方式設好“參考零”后，測試時加進一根短的測試“補償跳線”(0.3米左右)，這樣一來，測試結果就包含了四部分衰減值：被測光纖的衰減、被測光纖兩端連接器的衰減、補償光纖的衰減。補償光纖是多出來的一短光纖，但由于補償光纖很短，其衰減量完全可以忽略不計(0.3米的長度對應的衰減值一般都低于0.002dB，而儀器的精度一般在0.01dB左右)。圖六所示的測試模式通常被稱作改進的B類測試模式(注：B模式是指歸零時只用一根跳線，測試時在光功率計上再補上一根測試跳線)。由于B模式或改進的B模式其測試結果都包含了被測試光纖兩端的連接器衰減值(通常這兩個連接器就是光纖配線架上的插座和用戶面板上的插座)，測試誤差也最小，所以工程上經常推薦使用這種測試模式。如果只希望了解被測光纖的衰減值，而不包含光纖兩端連接器的衰減，那么可以按圖八方式進行測試，但在測試前須按圖七所示的方法“歸零”。此時的測試結果包含短“歸零”跳線造成的誤差(0.3米，可忽略)。這種測試模式叫做“測試方法C”。此法不適合大量測試，否則儀器插座磨損太厲害，測試成本太高。光 源光功率計短跳線Po用短跳線歸零圖七光 源光功率計被測光纖Pi只測試光纖的衰減，不包含兩端連接器，衰減=Pi(已歸零)圖八如果需要進行大批量測試，則圖八所示的方法需要做調整-歸零方法須先按圖九所示進行，測試方法則按圖十所示的方法進行。此法存在歸零跳線(通常0.3米)引起的微小誤差(可忽略之)。這種測試模式叫“改進的測試方法C”，目的是避免磨損儀器插座。大量測試光纖衰減：設置參考零時使用0.3米歸零跳線圖九光 源光功率計測試跳線Po0.3m歸零跳線測試跳線歸零耦合器歸零耦合器光 源光功率計測試跳線Pi被測光纖實際被測試的是一段光纖，不包含兩端連接器的衰減圖十測試跳線歸零耦合器歸零耦合器被測光纖越短，測試精度受耦合器精度波動的影響也越大。這是因為短鏈路中光纖本身的衰減值很小，耦合器的衰減值相對短光纖則比較大，因此耦合器衰減值出現(xiàn)波動時所占的誤差比例就比較高。由于測試時每次插拔耦合器都有可能產生耦合器衰減值的微小波動，而這些微小波動相對于短光纖的衰減值來說不可忽略。因此，短光纖本身的衰減值一般不提倡用“方法C”進行測試。實際的被測鏈路通常如圖十一和圖十二所示。圖十一的被測鏈路包含配線架的連接衰減和墻面板插座的連接衰減。工程驗收時經常被測試的就是這種兩路。圖十二則包含用戶跳線和設備跳線及其與光模塊的連接衰減，這是故障診斷時經常被測試的鏈路模式。這兩種方法都采用了方法B，這也是工程上能保證測試精度的最常推薦的測試方法(模式)。光 源光功率計測試跳線Pi補償跳線配線架插座歸零耦合器被測光纖測試跳線圖十一墻面板插座方法B：未安裝跳線的實際被測光鏈路(驗收時常見)光 源光功率計測試跳線Pi補償跳線配線架插座歸零耦合器被測光纖測試跳線圖十二墻面板插座方法B：含設備和用戶跳線的實際被測光鏈路設備跳線用戶跳線對于實際鏈路診斷故障時常用改進的方法C進行測試。被測鏈路不包含設備和用戶跳線的“歸零衰減”。也就是說，由于設備跳線一端的插頭A或用戶跳線一端的插頭B的質量問題所引起的衰減，被計算在整個鏈路的衰減值當中。光 源光功率計測試跳線Pi配線架插座歸零耦合器被測光纖測試跳線圖十二墻面板插座改進的方法C：含設備和用戶跳線的實際被測光鏈路設備跳線用戶跳線歸零耦合器AB方法B需要使用三根測試跳線(兩根測試跳線，一根補償光纖)，不是很方便，也不適合某些測試對象和場合?？紤]到歸零后插拔光功率計上的測試跳線對測試結果影響不大，所以可以采用改進的方法B來進行測試，如圖十三、十四所示。光 源光功率計測試光纖APo圖十三改進的方法B： 先歸零光 源光功率計測試跳線APi被測光纖改進的方法B： 添加“測試跳線B”后進行測試圖十四測試跳線B關于測試結果出現(xiàn)“負損耗”，原因簡述如下。在光源一端，出光口的光能量耦合效率對端口結構幾何尺寸和測試跳線幾何尺寸的偏差比較敏感，所以歸零以后不允許插拔測試跳線，否則需要重新歸零，以免增大測試誤差，對短鏈路測試結果甚至會出現(xiàn)“負損耗”。而在光功率計一端，由于其受光器件面積遠遠大于光纖截面積，所以歸零后插拔光功率計一端的測試跳線對測試結果影響不大，故測試跳線B的引入對測試結果的影響很小。當然，如果測試跳線本身B不合格(沒有事先經過測試)，則測試結果也會超差甚至不合格。如果測試跳線A本身不合格(比如端面有灰塵、污漬、纖維)，則測試結果會不穩(wěn)定甚至為負損耗(比如因端面灰塵、纖維脫落)。在圖四所示的方法B中，歸零后靠近光源一側的測試跳線不允許插拔；如果歸零用的耦合器本身偏差較大(比如軸向對準偏差較大)，則歸零后測試短鏈路也可能出現(xiàn)負損耗。如果開機后立刻就進行歸零操作，由于光源和光功率計均為進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，測試短鏈路時也可能出現(xiàn)負損耗。在溫差較大的場合需注意開機5-10分鐘后再開始歸零操作。測試跳線兩端的結構尺寸不一致是常見現(xiàn)象，造成雙向損耗值不一樣，所以測試用跳線預檢時也需要雙向測試，雙向誤差一般要求不超過0.01dB。否則測試短鏈路時也可能出現(xiàn)負損耗。關于光纖直徑和光源。光源和光功率計一般會隨儀器成套提供，當然也可以單獨提供。比如，有時只用光功率計去測量光模塊的輸出功率或者光接收模塊的輸入功率，以此判斷設備的光接收模塊接收到的光信號強度是否復符合要求，或者判斷光發(fā)送模塊發(fā)送出的光信號強度是否復合要求。維護人員也可依此功率差值來大致判斷光纖是否有問題，此時可不使用配套的測試光源。被測試的光纖有兩大類，一類是單模光纖，直徑很細，只有8.3微米，其衰減值和色散值都比較小，適合長距離傳輸光信號。另一類是多模光纖，直徑比較粗，常見的有62.5微米直徑和50微米直徑兩種規(guī)格。其衰減值特別是色散值比較大，適于短距離傳輸光信號。通常使用激光光源配合單模光纖來遠距離傳輸光信號，使用LED光源和VCSEL光源配合多模光纖來傳輸短距離的光信號。與此相對應，測試用的光源有激光光源和LED光源，有時也稱作單模光源和多模光源(雖然是不準確的稱謂，但卻比較流行)，這兩種光源一般情況下是不混用的。激光光源的光束匯聚性好(光束發(fā)散角很小)，光譜的能量集中，適合于測試長距離單模光纖鏈路。計算機網(wǎng)絡中選用的激光光源常見兩個典型的工作波長 - 1310微米和1550微米(當然還有其它波長)；而LED光源的光束發(fā)散角大，能量分散，多用于測試短距離使用的多模光纖，經常使用的LED光源也有兩個典型工作波長 - 850微米和1300微米(當然亦還有其它波長)。VCSEL光源是一種準激光光源，光束發(fā)散角比激光光源大一些，適合在多模光纖中測試短距離高速光纖鏈路。由于VCSEL光源常用于千兆和萬兆以太網(wǎng)鏈路，所以測試用的VCSEL光源一般也用來對應測試這兩種應用的光纖鏈路衰減值。不同的光源測試的損耗結果是不一樣的。欲獲取精確的測試結果需要測試光源和實際應用的光源一致。比如，測試1G/10G光纖鏈路宜使用VCSEL光源(如福祿克GFM-2模塊)。光纖測試診斷快速入門(二)OTDR測試福祿克網(wǎng)絡公司 尹 崗如果向光纖注入一束持續(xù)時間很短的光脈沖(比如100ns)，那么光脈沖能量在向前傳輸?shù)倪^程中同時也會有極微弱能量被光纖本身不斷地向四面八方散射(瑞利散射)、反射回來，由于所有光纖都存在損耗，因此光纖近端反射的能量較大，而遠端反射的能量則較小。這種反射又被稱作逆向散射(backscatter)，數(shù)量級為1ppm左右。如果我們把“沿途”的這些反射能量都記錄下來，就可以畫成如圖1所示的反射能量曲線(即光時域反射曲線，OTDR曲線)。這個曲線有什么用處呢？圖中0m的地方反射強(對應縱坐標約為-0.8dB左右)，是光纖鏈路的“入口”，而在光纖末端2040m的地方，反射量會較弱(對應縱坐標約為-6.5dB)，我們首先可以用這條曲線推算出這段長約2040m的光纖對反射光的損耗大約為(-0.8-(-6.5)=5.7dB。通常，我們可以用這個損耗值來近似地代替這條光纖本身的前向傳輸損耗值。圖一 OTDR曲線(光時域反射曲線)如果光脈沖向前傳輸時遇到連接器(此處存在一個很窄的空氣隙)，由于介質突變，反射能量會很大，最大可達前向總能量的8%(比逆向散射大得多)。圖中2040m處的尖峰就是由連接器引起的較強的能量反射。事實上，由于該連接質量不高，尖峰過后出現(xiàn)了一個約2dB的損耗跌落(通常最低要求不超過0.75dB)，這個跌落就是由于連接器質量問題所引起的損耗。所以，我們可以用這個損耗來近似代替連接器的前向傳輸損耗。仔細觀察約2040m-2095m這段55米的短光纖，你會發(fā)現(xiàn)除了前面提到的2dB連接器損耗外，55m光纖段自身還有約1dB的損耗(橫坐標 -8dB-(-9dB)=1dB)。這顯然太高了。在約2095m處出現(xiàn)的強“反射峰”，表示這是這條光纖鏈路的末端。由于末端之后不存在光纖，光子不再“逆向”返回，因此OTDR曲線迅速向坐標“橫軸”跌落。末端對應的長度值就是光纖的長度，或是斷纖的具體位置。從上面描述的OTDR曲線中，我們可以輕松地獲得幾個重要的參數(shù)：a) 這段光纖長度是2095米 也可能就是斷纖的斷點長度；b) 在2040米出有一個連接器質量不好(連接器損耗達2dB)；c) 這條光纖在20402095米有一段約55米的光纖損耗大，本身質量有問題(1dB損耗)。d) 整段光纖的鏈路總損耗太大，約為5.7+2+1=8.7dB，問題在20402095米一段。這就是用OTDR測試曲線來判斷問題的一個例子?？梢钥吹焦饫w長度、連接器損耗、光纖損耗、鏈路總損耗等很有用的故障信息，幫助定位故障。下面我們再舉幾個案例。如圖二所示，這是一段約230米的光纖，原先用于運行千兆以太網(wǎng)，在升級為萬兆以太網(wǎng)時發(fā)現(xiàn)丟包率很高，許多用戶反映系統(tǒng)升級后速度不升反降。測試光纖鏈路的總損耗約為3.5dB，超過標準允許值。維護人員需要迅速定位鏈路中引起損耗超差的故障點。圖二 OTDR測試曲線一般地，維護人員會先檢查交換機的光模塊配置和光功率，或簡單地試著重新插拔一下光纖跳線。接下來則可能懷疑交換機主機是否有問題。稍有經驗的維護人員會測試一下這條光纖鏈路的損耗值，并試著清潔一下光纖跳線。但如果這些手段都不奏效，就需要使用OTDR測試儀來觀測了了。它可以提供與曲線對應的“事件表”，不精通曲線分析的一線維護人員可以通過“事件表”迅速了解問題所在的物理位置，如圖三所示。請讀者對應查看曲線和事件表兩圖。在102米的地方有一個正常的連接器，損耗值0.19dB，反射尖峰幅度較低，說明連接質量優(yōu)良；在約152米的地方有一個反射尖峰，幅度適中，但連接器損耗(即OTDR曲線跌落)高達1.73dB，說明此連接器質量較差(存在灰塵的可能性較大)；在約202米的地方有一個連接器尖峰，損耗為0.28，緊隨其后有一段長約2米的光跳線(即202米204米的隱藏事件)，由于這段跳線的總損耗為0.28dB，可以認為質量尚可。在214米處有一個損耗，且無反射尖峰，判斷其最大的可能是一個光纖熔接點或者光纖過度彎曲事件。由于損耗值高達0.72dB，被認為超標(最大應不超過0.3dB)。圖三 與OTDR對應的事件表過量的損耗會加劇信號衰減，在多模光纖鏈路中還會引入附加的色散值，這將縮短光纖的有效傳輸長度。室內光纖過度彎曲點通常發(fā)生在配線架或設備端口處，與整理跳線的方式不當從而造成彎曲過度有較大關系。以上測試結果基本上可以涵蓋中低速光纖鏈路中的故障診斷定位，掌握了OTDR曲線分析方法可以很快確認問題發(fā)生的物理位置。對于不熟悉OTDR曲線解讀的維護人員，則可以簡單地遵循“事件表”的提示，檢查對應的故障位置。不過，在高速光纖鏈路中，情形遠比中低速光纖鏈路復雜，比如在10G/40G/100G以太網(wǎng)光纖鏈路中，鏈路總損耗和連接點損耗符合要求并不意味著鏈路的誤碼率一定能符合要求，這是因為總損耗合格并不意味著每個連接器、熔接點都合格，且連接器的過量反射會引起誤碼率上升，甚至造成連接失敗，所以需要考察每個“事件”的單個損耗值和每個連接器的反射值(ORL)。連接器的損耗和反射值(ORL，光回波損耗)是器件質量的兩個重要參數(shù)，但因為安裝過程中存在著誤用連接器、指紋污染、唾液污染等情形，連接質量并不是很樂觀。關鍵的誤解還在于，這些過量反射點在10/100/1000M等中低速以太網(wǎng)鏈路中可能并不明顯影響鏈路的誤碼率。補償光纖。由于OTDR測試儀端口不能在發(fā)射測試脈沖的同時接收反射回來的逆向散射和菲涅耳反射信號(此時間接收器件呈關閉狀態(tài))，所以，作為緊鄰的第一個連接器(就是儀器測試端口)往往是不能被“看清”的。為此，我們可以認為地在測試儀端口前加上一段光纖，把第一個連接器移到遠離測試端口的地方，這樣就可以看清第一個被測鏈路的連接器了。這段人為添加的測試光纖就是“發(fā)射補償光纖”，又稱“測試前導光纖”。儀器會在測試結果中會自動減去這段長度。另外