從10G到40G/100G MPO光纖鏈路測試技術的變化

羅森伯格亞太電子有限公司：李平

前言

科技改變生活，信息化是當今世界發展的大趨勢。物聯網，云計算，大數據等新興的網絡信息技術持續創新和應用，而在移動互聯技術上，3G網絡日趨成熟，4GLTE網絡從去年開始已經在全國試點運行，移動互聯速度又將邁上了一個新臺階。在這個信息產業化的時代，我們工作生活的城市也在向智慧城市轉型，各種網絡應用與我們密切相關。無論是新興技術的應用還是智慧城市的建設，應用都離不開基礎網絡。基礎網絡的建設以場地，有源的終端和互聯設備，以及構建網絡的基礎互連通道--布線系統為主。布線系統需要在現場進行施工安裝，易受環境，產品質量，安裝工藝等因素影響，是決定網絡傳輸質量的最重要環節。布線系統的可靠性不僅取決于工程中的質量監督，更要嚴把最后一關，現場驗收測試。

測試技術發展的迫切性

目前，大部分中小型布線項目還是采用以萬兆為主干，實現千兆到桌面的網絡架構。但是，隨著3G/4G和互聯網業務的快速發展，帶寬已經不能夠滿足應用的需求，主干鏈路采用40G/100G成為大型布線項目，特別是企業數據中心和互聯網IDC數據中心項目建設的必然趨勢。根據IDC市場報告，預計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發布了802.3ba的40G/100G標準以來，40G/100G的網絡主要以實驗網為主，對現場測試要求較低。經過2年多的系統研發測試，目前40G/100G的傳輸技術日趨成熟，各大廠商紛紛推出40G/100G的交換路由設備，電信級長距離主干鏈路采用單模光纖系統，而樓宇和數據中心的綜合布線系統主要以短距離的傳輸的多模OM3/OM4光纖系統為主，采用12芯MPO的連接器，四通道/十通道的預連接光纜。預連接光纜大大減少安裝時間和人工成本，但是如何快速地識別光纖極性，快速并準確的測試鏈路的衰減成了現場測試的首要問題。

傳統光纖測試技術

首先，我們先來回顧一下原有千兆，萬兆光纖鏈路的測試技術。2003年，TIA-526-14-A多模光纜安裝光強度損失測試標準正式定義了CPR(CoupledPowerRatio)光耦合率的檢測方法，將光源分成5個等級（如下圖），LED光源是等級1的光源，VCSEL垂直腔面發射激光光源的等級介于等級3和等級4之間，FP激光光源相當于等級5的光源。同時，進一步提高了光損耗的測試極限值，1000BASE-SX應用于OM1光纖的最大損耗值為2.6dB;10GBASE-SR應用于OM3光纖的最大損耗值為2.6dB。該標準作為光纖鏈路測試的通用標準，不針對特定的網絡應用，強調檢測光信號傳輸時的正常狀態，建議使用LED光源測試多模光纖鏈路，這種方式可以檢測光纖鏈路的最差情況。而激光優化過的VCSEL光源則用于檢測特定網絡應用的鏈路，如有源設備使用VCSEL光源或當前網絡準備升級使用VCSEL光源，此時測試得到的光纖損耗值比較接近網絡應用時的真實損耗值。

TIA-526-14-A標準被多個相關測試標準引用，如ANSI/TIA/EIA-568-B，ISO/IEC11801，ISO/IEC14763-3等標準。并且ANSI/TIA/EIA568-B.1.7.1和ISO/IEC14763-36.22還規定了使用50/62.5um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作模式過濾器，減少光源在光纜中產生的高次模，同時降低了使用不同光源造成的測試結果差異性，提高了多模光纖測試的穩定性和可重復性。

10GMPO多芯光纖測試模型

相比較傳統使用LC,SC,ST等連接器的雙芯光纖，使用MPO連接器可以支持至少12芯光纖，MPO連接器主要使用于預連接光纜。因為MPO光纖存在12芯通道，TIA-568-C.0-2009B.4詳細分析了通道極性，針對雙工傳輸，主要有A,B,C三種種極性的連接方式。三種方式都是為了一個共同的目標----創建一個端到端的光收發通道，但是三種方式不能兼容，分別使用不同極性的的連接器和適配器。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，比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，造成鏈路故障。因此，10G光纖通道里，MPO主干鏈路的極性主要采用的C類方式（見下圖），兩端端口按對應數字編號內部互通，光通道采用兩兩一組，交叉連接，如1---2,2---1，形成全雙工的收發通道。左右兩端通過MPO轉LC的模塊盒轉成LC接口，然后通過LC跳線連接設備，此種情況主要應用在數據中心高密度布線系統。

被測鏈路：

兩端為MPO-LCA模塊（MPO1-12口一一對應LC1-12口）的主干鏈路示意圖

1)設置基準:用1根LC-LC測試跳線連接測試儀的光源輸出口(LC)和功率計輸入口(LC)。

2)拔出光功率計輸入口跳線，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預連接光纜)，將LC測試跳線分別接入兩端A模塊，一端為1口，另一端接2口。

4)記錄保存當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，光功率計端LC跳線更換到另一側A模塊的1口，記錄并保存，直到完成12個通道的損耗測試。

40G/100GMPO多芯光纖測試技術

2010年，802.3ba頒布的40G/100G的鏈路標準分別為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100米，最大損耗值為1.9dB；OM4光纖的最大傳輸距離為150米，最大損耗值為1.5dB。40G/100G鏈路主要用于數據中心大流量數據傳輸，據第三方統計數據，數據中心88%的主干鏈路長度不超過100米。因此，基于OM3/OM4的MPO預連接光纜將成為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，允許存在多個連接器（大于兩個），熔接點的閥值為0.3dB已經不再適用。新的40G/100G光纖主干鏈路將使用預連接光纜，鏈路中無熔接點和連接器，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準的要求之內。

影響40G/100G傳輸的兩個關鍵因素就是光源和光纖鏈路損耗。更加嚴格的損耗要求對傳統的LED光源測試方法提出了挑戰，原有LED光源的輸出功率低，發散角大，連接器損耗大，采用過滿注入（OFL—OverFilledLaunch）的方式。而使用VCSEL光源的有限注入法（UFL—UnderFilledLaunch），近場強度的光通道集中在中心范圍內，在光纖中心的傳輸模式較少，發散角較小，有效地解決了LED光源的弊端。但是原有IEEE802.3，ANSI/TIA和ISO/IEC等相關標準只是針對LED光源進行了定義，同時考慮到價格因素，并且不同廠家VCSEL的光功率分布差異較大，因此針對40G/100G的測試的新標準沒有采用VCSEL光源進行定義。同樣，2006年頒發的ISO/IEC14763-3定義了MPD（ModalPowerDistribution）模態功率分布的方法，雖然通過波導陣列改善了耦合強度，但是同樣不能滿足40G/100G傳輸的需要。

2010年10月，ANSI/TIA-526-14-B代替了ANSI/TIA-526-14-A，定義了EF(EncircledFlux）光源環形通量的測試方法，該方法同時定義在IEC61280-4-1標準中。EF通過模式調節器限制多模光源的發射條件，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（如下圖）。當被測光纖連接器和測試設備連接器相同時，可以使用1或3條測試跳線；當被測光纖連接器和測試設備連接器不同時，使用3條測試跳線；測試跳線至少2米，不超過10米。環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性。

40G/100GMPO光纖測試模型

一條標準的MPO/MTP鏈路是由兩端兩根MPO跳線，兩個MPO適配器和MPO的預連接主干光纜組成。在TIA-568-C.0-2009B.4里，針對并行多通道傳輸，給出了A和B兩種方式（見下圖，Table5）。

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

被測MPO鏈路（母-母）：

傳統MPO多芯光纖測試模型----采用LC接口的光源和光功率計

1)設置基準:使用3段光纖跳線和2個LC適配器進行基準設置，光源輸出口端使用多模卷軸，如下圖所示。

2)將中間兩個LC適配器間的LC短跳線去掉，分別添加2根LC-MPO（公）的多芯短跳線，連接第1對LC，用于測試MPO第1,2口，如下圖所示。

3)將被測MPO光纖鏈路接入，進行測試，得出MPO第1,2口衰減值并保存。

4)斷開兩端LC適配器和多芯LC-MPO(公)跳線，按照B類極性進行余下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行40G/100G的鏈路測試，需要MPO轉到LC的扇形跳線，光源輸出口端接的跳線必須帶有多模卷軸，并且每測試一個通道都需要進行基準設置。因此，此方法操作比較復雜，每根MPO鏈路需測試12次，在大規模測試時，耗費較多時間。

最新MPO多芯光纖測試模型----采用MPO接口的光源和光功率計

目前市場上已經有MPO接口的光纖現場測試設備，帶有EF控制光源，可以較好的滿足MPO光纖鏈路的現場測試。采用MPO接口適配器和MPO的基準跳線，設置相應的鏈路衰減門閥值，可以一次性進行12條鏈路的基準設置和衰減測試，自動檢測MPO光纖的極性并出具報告。需要注意被測MPO鏈路連接器有無引導針（公/母），即兩端都無引導針（母-母），兩端都有引導針（公-公），一端有引導針另一端無引導針（公-母）三種情況，選擇合適的基準跳線進行基準設置。下面以最常見的兩端都無引導針，即兩端都是母頭的MPO光纖鏈路模型進行測試。

被測MPO鏈路（母-母）：

1)設置基準:使用1根MPO(公-公)測試跳線連接光源和光功率計，進行基準測試。

2)斷開光功率計端跳線，再接入一根MPO(公-公)測試跳線。

3)將被測B類光纖鏈路接入，進行測試得到光纖極性和12根通道的損耗，保存測試結果。

4)重復步驟2）至3），進行下一根MPO（母-母）光纖鏈路的測試。

結束語

原有10GMPO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導致MPO光纖鏈路測試次數和時間大大增加，一根12芯的MPO主干鏈路完整測試需要將近十分鐘，并且測試穩定性較差。因此，需要使用帶有MPO接口的測試儀器進行測試。同時，EF環形通量控制代替了多模卷軸，增加了光纖鏈路測試的穩定性和可靠性。100G傳輸采用十通道收和十通道發的模式較為復雜，IEEEP802.3bm40G/100G工作小組將會對100G的傳輸模式進行改進，原有的十通道的收發模式將會被四通道代替。作為40G/100G的下一代，高達400G的以太網傳輸標準即將在明年啟動，預計使用OM4光纖。MPO接口的光纖鏈路在今后的部署將會越來越廣，不再局限于電信運營商和數據中心等高端用戶，了解MPO光纖鏈路的傳輸模型和測試技術將有助于我們更好的駕馭未來的40G/100G高速通信傳輸通道。

參考文獻：

[1]TheneedforEncircledFlux,realorimaginaryAdrianYoung