文│ 羅森伯格亞太電子有限公司 李 平

從10G到40G/100G MPO光纖鏈路測試技術(shù)的變化

文│ 羅森伯格亞太電子有限公司 李 平

布線系統(tǒng)需要在現(xiàn)場進(jìn)行施工安裝，易受環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量、安裝工藝等因素影響，這些是決定網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。布線系統(tǒng)的可靠性不僅取決于工程中的質(zhì)量監(jiān)督，同時(shí)還必須對現(xiàn)場進(jìn)行驗(yàn)收測試。

10G；40G；100G；光纖；鏈路

1 引言

在這個(gè)信息產(chǎn)業(yè)化的時(shí)代，我們生活的城市也在向智慧城市轉(zhuǎn)型，各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與我們密切相關(guān)。無論是新興技術(shù)的應(yīng)用還是智慧城市的建設(shè)、應(yīng)用都離不開基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)?；A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以場地、有源的終端、互聯(lián)設(shè)備及構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)互連通道都是以布線系統(tǒng)為基礎(chǔ)實(shí)施。布線系統(tǒng)需要在現(xiàn)場進(jìn)行施工安裝，易受環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量、安裝工藝等因素影響，同時(shí)這些是決定網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。布線系統(tǒng)的可靠性不僅取決于工程中的質(zhì)量監(jiān)督，同時(shí)必須對現(xiàn)場進(jìn)行驗(yàn)收測試。

2 測試技術(shù)發(fā)展的迫切性

目前，大部分中小型布線項(xiàng)目還是采用以萬兆為主干鏈路，實(shí)現(xiàn)千兆到桌面的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。但是，隨著3G、4G和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，帶寬已經(jīng)不能滿足應(yīng)用的需求，主干鏈路采用40G/100G成為大型布線項(xiàng)目，特別是企業(yè)數(shù)據(jù)中心和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)的必然趨勢。根據(jù)IDC市場報(bào)告，預(yù)計(jì)2015年以后，40G/100G將逐步成為主流的端口速率。

自從2010年6月IEEE發(fā)布了802.3ba的40G/100G標(biāo)準(zhǔn)以來，40G/100G的網(wǎng)絡(luò)主要以實(shí)驗(yàn)網(wǎng)為主，對現(xiàn)場測試要求較低。經(jīng)過兩年多的系統(tǒng)測試，目前40G/100G的傳輸技術(shù)日趨成熟，各大廠商紛紛推出40G/100G的交換路由設(shè)備，電信級長距離主干鏈路采用單模光纖系統(tǒng)，而樓宇和數(shù)據(jù)中心布線系統(tǒng)主要以短距離傳輸?shù)亩嗄M3/OM4光纖系統(tǒng)為主，采用12芯MPO連接器的四通道、十通道的預(yù)連接光纜。預(yù)連接光纜大大減少安裝時(shí)間和人工成本，但是如何快速識別光纖極性并準(zhǔn)確的測試鏈路的衰減成了現(xiàn)場測試的首要問題。

表1 Table 1-850nm CPR Categorles

3 傳統(tǒng)光纖測試技術(shù)

首先，我們先來回顧千兆、萬兆光纖鏈路的測試技術(shù)。2003年，TIA 526-14A多模光纜支線安裝的光功率損耗測量標(biāo)準(zhǔn)正式定義了CPR光耦合率的檢測方法，將光源分成5個(gè)等級（如表1所示），LED光源是等級1的光源，VCSEL垂直腔面發(fā)射激光光源介于等級3和等級4之間，F(xiàn)P激光相當(dāng)于等級5的光源。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高光損耗的測試極限值，1000Base-SX應(yīng)用于 OM1光纖的最大損耗值為2.6dB；10GBase-SR應(yīng)用于OM3光纖的最大損耗值為2.6dB。該標(biāo)準(zhǔn)作為光纖鏈路測試的通用標(biāo)準(zhǔn)，不針對特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)檢測光信號傳輸時(shí)的正常狀態(tài)，建議使用LED光源測試多模光纖鏈路，這種方式可檢測光纖鏈路的最差情況。而被激光優(yōu)化過的VCSEL光源則用于檢測特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的鏈路，如有源設(shè)備使用VCSEL光源或當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備升級使用VCSEL光源，此時(shí)測試得到的光纖損耗值比較接近網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)的真實(shí)損耗值。

TIA 526-14A標(biāo)準(zhǔn)被多個(gè)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)引 用， 如 TIA/EIA 568B、ISO/IEC 11801、ISO/IEC 14763-3等標(biāo)準(zhǔn)。并且TIA/EIA 568B.1.7.1和ISO/IEC 14763-3 6.22還規(guī)定了使用50/62.5 μ m多模光纖卷軸的尺寸和使用方法。卷軸通過盤繞光纖的方式充當(dāng)模式過濾器，減少光源在光纜中產(chǎn)生的高次模，同時(shí)降低了使用不同光源造成測試結(jié)果的差異性，提高了多模光纖測試的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

4 10G MPO多芯光纖測試模型

相比較傳統(tǒng)使用LC、SC、ST等連接器的雙芯光纖，使用MPO連接器可支持至少12芯光纖，MPO連接器主要使用于預(yù)連接光纜。因?yàn)镸PO光纖存在12芯通道，TIA 568C.0-2009 B.4詳細(xì)分析了通道極性，而雙工傳輸主要有A、B、C 三種極性的連接方式，三種方式都是為了一個(gè)共同的目標(biāo)——?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)端到端的光收發(fā)通道，但是三種方式不能兼容，分別使用不同極性的連接器和適配器。為了整條鏈路的兼容性和一致性，盡量考慮使用相同極性的連接器和適配器，如使用的跳線極性都是A-B，適配器的類型都是KEYUP-KEYUP，否則極性不同會造成使用混亂，容易安裝出錯(cuò)，造成鏈路故障。因此，在10G光纖通道里，MPO主干鏈路的極性主要采用C類方式，兩端端口按對應(yīng)數(shù)字編號內(nèi)部互通，光通道采用兩兩一組，交叉連接，形成全雙工的收發(fā)通道。左右兩端通過MPO轉(zhuǎn)LC的模塊盒轉(zhuǎn)成LC接口，然后通過LC跳線連接設(shè)備，此種情況主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心高密度布線系統(tǒng)。

被測鏈路如圖1所示。

（1）設(shè)置基準(zhǔn)：用1根LC-LC測試跳線連接測試儀的光源輸出口（LC）和功率計(jì)輸入口（LC），如圖2所示。

（2）拔出光功率計(jì)輸入口跳線，接入另一根測試跳線。

（3）接入被測光纖（兩端為MTP-LC模塊盒，中間是MTP-MTP預(yù)連接光纜），將LC測試跳線分別接入兩端A模塊，一端接1口，另一端接2口，如圖3所示。

記錄并保存當(dāng)前被測光纖通道的損耗值，然后將光源端LC跳線更換到A模塊的2口，光功率計(jì)端LC跳線更換到另一側(cè)A模塊的1口，記錄并保存，直到完成12個(gè)通道的損耗測試，如表2所示。

表2

5 40G/100G MPO多芯光纖測試技術(shù)

2010年，IEEE 頒布 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)的40G/100G的鏈路標(biāo)準(zhǔn)分別為40GBase-SR4和100GBase-SR10；使用MPO的連接器和適配器；OM3光纖的最大傳輸距離為100m，最大損耗值為1.9dB；OM4光纖的最大傳輸距離為150m，最大損耗值為1.5dB。40G/100G鏈路主要用于數(shù)據(jù)中心大流量數(shù)據(jù)傳輸，據(jù)第三方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心88%的主干鏈路長度不超過100m。因此，基于OM3/OM4的MPO預(yù)連接光纜將成為40G/100G鏈路的首選。之前針對10G光纖鏈路測試定義的閥值，如LC連接器的閥值為0.75dB，允許存在多個(gè)連接器（大于兩個(gè)），熔接點(diǎn)的閥值為0.3dB已經(jīng)不再適用。新的40G/100G光纖主干鏈路將使用預(yù)連接光纜，鏈路中無熔接點(diǎn)和連接器，只需考慮兩端MPO連接器的損耗和光纜本身的損耗，盡可能的減少連接器的損耗，確保整條鏈路的衰減值在新標(biāo)準(zhǔn)的要求之內(nèi)。

影響40G/100G傳輸?shù)膬蓚€(gè)關(guān)鍵因素是光源和光纖鏈路損耗。更加嚴(yán)格的損耗要求對傳統(tǒng)的LED光源測試方法提出了挑戰(zhàn)，原有LED光源的輸出功率低，發(fā)散角大，連接器損耗大，采用過滿注入的方式。而使用VCSEL光源的有限注入法，近場強(qiáng)度的光通道集中在中心范圍內(nèi)，在光纖中心的傳輸模式較少，發(fā)散角較小，有效地解決了LED光源的弊端。但是原有IEEE 802.3、ANSI/TIA和ISO/IEC等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只是針對LED光源進(jìn)行了定義，同時(shí)考慮到價(jià)格因素，并且不同廠家VCSEL的光功率分布差異較大，因此針對40G/100G測試的新標(biāo)準(zhǔn)沒有采用VCSEL光源進(jìn)行定義。同樣，2006年頒發(fā)的ISO/IEC 14763-3定義了MPD模態(tài)功率分布的方法，雖然通過波導(dǎo)陣列改善了耦合強(qiáng)度，但是同樣不能滿足40G/100G傳輸?shù)男枰?/p>

2010年 10月，ANSI/TIA 526-14B代替了ANSI/TIA 526-14A，定義了EF光源環(huán)型通量的測試方法，該方法同時(shí)定義在IEC 61280-4.1標(biāo)準(zhǔn)中。EF通過模式調(diào)節(jié)器限制多模光源的發(fā)射條件，過濾高次模的光信號，使用代用EF控制器的跳線代替原有使用多模卷軸的普通測試跳線（如圖4所示）。當(dāng)被測光纖連接器和測試設(shè)備連接器相同時(shí)，可以使用1或3條測試跳線；當(dāng)被測光纖連接器和測試設(shè)備連接器不同時(shí)，使用3條測試跳線；測試跳線至少2m，不超過10m。環(huán)型通量可將損耗測量偏差從原有±40%降低至±10%，從而降低測量不確定性并提高每次測量的可重復(fù)性。

6 40G/100G MPO光纖測試模型

一條標(biāo)準(zhǔn)的MPO/MTP鏈路是由兩端兩根MPO跳線及兩個(gè)MPO適配器和MPO的預(yù)連接主干光纜組成。在TIA 568 C.0-2009 B.4里，針對并行多通道傳輸、給出了A和B兩種方式，如表3所示。

表3 Table 5-Summary of components used for parallel signals

為了保障鏈路的兼容性和單一性，施工和維護(hù)比較方便，特別是經(jīng)常插拔和更換的MPO跳線，在40G/100G布線系統(tǒng)中，方式B將會更多的被采納。40G和100G的通道數(shù)量不同，但是其傳輸鏈路模型是相同的，都是使用MPO/MTP接口進(jìn)行端到端的傳輸。因此，我們以40G單通道傳輸為例，測試時(shí)需注意預(yù)連接光纜和跳線的端口類型，即有引導(dǎo)針（公頭）和無引導(dǎo)針（母頭）。

傳統(tǒng)MPO多芯光纖測試模型采用LC接口的光源和光功率計(jì)。

（1）設(shè)置基準(zhǔn)：使用3段光纖跳線和2個(gè)LC適配器進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)置，光源輸出口端使用多模卷軸，如圖5所示。

（2）將中間兩個(gè)LC適配器間的LC短跳線去掉，分別添加兩根LC-MPO（公）的多芯短跳線，連接第一對LC，用于測試MPO第1口和第2口，如圖6所示。

（3）將被測MPO光纖鏈路接入，進(jìn)行測試，得出MPO第1口和第2口衰減值并保存，如圖7所示。

（4）斷開兩端LC適配器和多芯LCMPO（公）跳線，按照B類極性進(jìn)行余下5對鏈路的衰減測試。

由此可以看出，使用LC接口的光源和光功率進(jìn)行40G/100G的鏈路測試時(shí)，需要MPO轉(zhuǎn)到LC的扇形跳線，光源輸出口端接的跳線必須帶有多模卷軸，并且每測試一個(gè)通道都需要設(shè)置基準(zhǔn)。因此，此方法操作比較復(fù)雜，每根MPO鏈路需測試12次，在大規(guī)模測試時(shí)，耗時(shí)較長。

7 采用MPO接口的光源和光功率計(jì)

目前市場上已經(jīng)有MPO接口的光纖現(xiàn)場測試設(shè)備，帶有EF控制光源可以較好的滿足MPO光纖鏈路的現(xiàn)場測試。采用MPO接口適配器和MPO的基準(zhǔn)跳線，設(shè)置相應(yīng)的鏈路衰減門閥值，可以一次性進(jìn)行12條鏈路的基準(zhǔn)設(shè)置和衰減測試，自動(dòng)檢測MPO光纖的極性并做出具體報(bào)告。需要注意被測MPO鏈路連接器有無引導(dǎo)針（公-母），即兩端都無引導(dǎo)針（母-母），兩端都有引導(dǎo)針（公-公），一端有引導(dǎo)針另一端無引導(dǎo)針（公-母）三種情況，選擇合適的基準(zhǔn)跳線進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)置。下面以最常見的兩端都無引導(dǎo)針，即兩端都是母頭的MPO光纖鏈路模型進(jìn)行測試。

（1）設(shè)置基準(zhǔn)：使用1根MPO（公-公）測試跳線連接光源和光功率計(jì)進(jìn)行基準(zhǔn)測試，如圖8所示。

（2）斷開光功率計(jì)端跳線，再接入一根MPO（公-公）測試跳線，如圖9所示。

（3）將被測B類光纖鏈路接入，進(jìn)行測試得到光纖極性和12根通道的損耗，保存測試結(jié)果，如圖10所示。

（4）重復(fù)步驟2、3，進(jìn)行下一根MPO（母-母）光纖鏈路的測試。

8 結(jié)束語

原有10G MPO測試的模型不再適合今后40G/100G的測試需要，LC接口的光源和光功率計(jì)導(dǎo)致MPO光纖鏈路測試次數(shù)和時(shí)間大大增加，一根12芯的MPO主干鏈路完整測試需要近十分鐘，并且測試穩(wěn)定性較差。因此，需要使用帶有MPO接口的測試儀器進(jìn)行測試。同時(shí)，EF環(huán)型通量控制代替了多模卷軸，增加了光纖鏈路測試的穩(wěn)定性和可靠性。100G傳輸采用十通道收和十通道發(fā)的模式較為復(fù)雜，IEEE 802.3bm 40G/100G工作小組將會對100G的傳輸模式進(jìn)行改進(jìn)，原有的十通道的收發(fā)模式將會被四通道代替。作為40G/100G的下一代，高達(dá)400G的以太網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)即將在明年啟動(dòng)，預(yù)計(jì)使用OM4光纖。MPO接口的光纖鏈路在今后的部署將會越來越廣，不再局限于電信運(yùn)營商和數(shù)據(jù)中心等高端用戶，了解MPO光纖鏈路的傳輸模型和測試技術(shù)將有助于我們更好的駕馭未來的40G/100G高速通信傳輸通道。

【1】 The need for Encircled Flux, real or imaginary，Adrian Young．