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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(Tier 1)的测试参数就是衰减量和长度；二级测试(Tier 2)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= 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/耦合器图三光 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相连，在一整天或半天的测试工作中一般测试跳线不会从仪器上拔下来，这样被磨损的就只是测试跳线的一端。测试插头被磨损到一定程度后，就可以更换测试跳线，更换测试跳线的费用比更换仪器插座的费用要低得多(100:1以上价格差距)。建议：标记测试跳线插入仪器的那一端，每次都使用此端，可减少漂移，保证精度。上面的测试方法有一点小小的不便-结测试完毕需要做一次减法运算(P0-Pi)，才能得出被测光纤的实际衰减值。在光源稳定后，不拔出光源上连接的测试跳线，这样可认为P0是恒定不变的，我们把此时的P0设为“相对零”(即在光功率计上按下“参考”键)，即强行认为P0=参考零功率，这样就不必去做P0-Pi的运算了-这个在测试前进行的预备操作，也经常被称作“归零”、“设参考零”或“设置基准值”。这样，在接入被测光纤后，光功率计上测得的值就是光纤的衰减值(P0-Pi)，无须再做减法运算。衰减值的单位通常用dB(分贝)来表示，这个值可直接存入光功率计的测试报告中。采用预先设“参考零”值的测试方法，很适合进行大批量的光纤测试工作。因此，测试光纤的衰减量时一般都有一个测试前的“归零”程序，即按图二的方法连接仪器先设置“参考零”(按下“参考”或“归零”键)。然后才按图三的模式进行实际测试。“典型”的被测光纤链路其衰减值由三部分构成，即：被测光纤本身的衰减值加上“两端”连接器各自的衰减值。但细心的读者仔细观察图三后会发现一个问题：在图二中设置“参考零”时，已将2根测试跳线的“光纤衰减值”、1个耦合器的“耦合衰减”和2个仪器插座的“接入衰减”共五部分包含在了“参考零”当中。所以，图三的测试结果只包含了被测光纤本身的衰减值及其一端连接器的“耦合衰减”这两部分的衰减，另一端连接器的耦合衰减则没有包括在被测光纤链路中-因为此连接器的衰减已在设置参考零时被“归零”了。也就是说，测出的衰减结果是“被测光纤及其一端连接器”的衰减值，而非期望的“被测光纤 及其两端连接器”的衰减。多数情况下我们考察的都是被测光纤及其两端连接器的衰减值，那么图三这种测试方法就是不准确的。请参见图四和图五的注释。光 源光功率计测试跳线Po测试跳线归零耦合器设“参考零”时共包含三个连接器和两段光纤的衰减图四已归零被测连接器被测连接器光 源光功率计测试跳线Pi被测光纤实际被测试的是被测光纤及其“一端”连接器的衰减图五已归零测试跳线在光纤长度很长时，整个链路衰减值中光纤的衰减值占的比例大，连接器的衰减相对比较小(可忽略)，故此时可以近似地认为测得的衰减值就是光纤加上两端连接器的衰减值。但在光纤较短时，整个链路衰减值中两端连接器的衰减值占了相当大的比例，这种测试就是不正确的。这也是造成短链路测试经常不合格的一个主要原因。归零时已包含了三个连接器和两段跳线的衰减光 源光功率计测试跳线Pi补偿跳线被测连接器归零耦合器被测光纤测试跳线图六被测连接器所以，为了比较准确地测试光纤链路的衰减，需再做一点调整和改进，请参见图六。按图二方式设好“参考零”后，测试时加进一根短的测试“补偿跳线”(0.3米左右)，这样一来，测试结果就包含了四部分衰减值：被测光纤的衰减、被测光纤两端连接器的衰减、补偿光纤的衰减。补偿光纤是多出来的一短光纤，但由于补偿光纤很短，其衰减量完全可以忽略不计(0.3米的长度对应的衰减值一般都低于0.002dB，而仪器的精度一般在0.01dB左右)。图六所示的测试模式通常被称作改进的B类测试模式(注：B模式是指归零时只用一根跳线，测试时在光功率计上再补上一根测试跳线)。由于B模式或改进的B模式其测试结果都包含了被测试光纤两端的连接器衰减值(通常这两个连接器就是光纤配线架上的插座和用户面板上的插座)，测试误差也最小，所以工程上经常推荐使用这种测试模式。如果只希望了解被测光纤的衰减值，而不包含光纤两端连接器的衰减，那么可以按图八方式进行测试，但在测试前须按图七所示的方法“归零”。此时的测试结果包含短“归零”跳线造成的误差(0.3米，可忽略)。这种测试模式叫做“测试方法C”。此法不适合大量测试，否则仪器插座磨损太厉害，测试成本太高。光 源光功率计短跳线Po用短跳线归零图七光 源光功率计被测光纤Pi只测试光纤的衰减，不包含两端连接器，衰减=Pi(已归零)图八如果需要进行大批量测试，则图八所示的方法需要做调整-归零方法须先按图九所示进行，测试方法则按图十所示的方法进行。此法存在归零跳线(通常0.3米)引起的微小误差(可忽略之)。这种测试模式叫“改进的测试方法C”，目的是避免磨损仪器插座。大量测试光纤衰减：设置参考零时使用0.3米归零跳线图九光 源光功率计测试跳线Po0.3m归零跳线测试跳线归零耦合器归零耦合器光 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 源光功率计测试光纤APo图十三改进的方法B： 先归零光 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：a) 这段光纤长度是2095米 也可能就是断纤的断点长度；b) 在2040米出有一个连接器质量不好(连接器损耗达2dB)；c) 这条光纤在20402095米有一段约55米的光纤损耗大，本身质量有问题(1dB损耗)。d) 整段光纤的链路总损耗太大，约为5.7+2+1=8.7dB，问题在20402095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。为了方便，发射补偿光纤和接收补偿光纤采用同样规格的光纤，长度一般是多模补偿光纤100米，单模补偿光纤130米。为了看清端面反射，我们选择事件表中的某一事件比如0m处的事件，进入“查看细节”菜单，就可以查看实测的反射值和/或ORL值。如图4所示。这是事件表中的0米处的详细信息，反射值Reflectance列在最下端，值约-49.79dB，没有任何问题。对于高速链路，如果反射值高于-30dB(比如-29dB)，则很容易引发误码率明显增加。事实上，-30dB以上的反射值通常是因为误用了FC光纤端面研磨的连接器或者端面污染。对于万兆链路，一般建议反射值低于-35dB。在TSB140标准中，由于没有规定相对应的10G/40G/100G的反射值极限，业界一般有如下推荐门限：-35dB/-45dB/-55dB。图四 事件详细信息(反射值 Reflectance)图五增益现象OTDR增益。如果光纤链路中采用了不同折射率(OM4/OM2)或者不同直径的光纤(50/62.5)，则连接器反射尖峰后面不光不会自然跌落，反而有可能抬升，这种现象就叫做OTDR测试增益。如图五所示。光纤测试快速入门(三)常见链路测试对象及其故障诊断福禄克公司 尹岗未完待续。提示：常见测试问题及其诊断方法。衰减测试、长度测试、OTDR测试、质量评估、显微镜检查、清洁方法、重新熔接等手段。高精度归零耦合器，如何现场测试跳线、分光器等。CATV、EPON等具体应用的测试和故障诊断。备用单位：dBm，dB。