从10G到40G/100G MPO光纤链路测试技术的变化

从10G到40G/100G MPO光纤链路测试技术的变化

罗森伯格亚太电子有限公司：李平

前言

科技改变生活，信息化是当今世界发展的大趋势。物联网，云计算，大数据等新兴的网络信息技术持续创新和应用，而在移动互联技术上，3G网络日趋成熟，4GLTE网络从去年开始已经在全国试点运行，移动互联速度又将迈上了一个新台阶。在这个信息产业化的时代，我们工作生活的城市也在向智慧城市转型，各种网络应用与我们密切相关。无论是新兴技术的应用还是智慧城市的建设，应用都离不开基础网络。基础网络的建设以场地，有源的终端和互联设备，以及构建网络的基础互连通道--布线系统为主。布线系统需要在现场进行施工安装，易受环境，产品质量，安装工艺等因素影响，是决定网络传输质量的最重要环节。布线系统的可靠性不仅取决于工程中的质量监督，更要严把最后一关，现场验收测试。

测试技术发展的迫切性

目前，大部分中小型布线项目还是采用以万兆为主干，实现千兆到桌面的网络架构。但是，随着3G/4G和互联网业务的快速发展，带宽已经不能够满足应用的需求，主干链路采用40G/100G成为大型布线项目，特别是企业数据中心和互联网IDC数据中心项目建设的必然趋势。根据IDC市场报告，预计2015年以后，40G/100G将逐步成为主流的端口速率。

自从2010年6月IEEE发布了802.3ba的40G/100G标准以来，40G/100G的网络主要以实验网为主，对现场测试要求较低。经过2年多的系统研发测试，目前40G/100G的传输技术日趋成熟，各大厂商纷纷推出40G/100G的交换路由设备，电信级长距离主干链路采用单模光纤系统，而楼宇和数据中心的综合布线系统主要以短距离的传输的多模OM3/OM4光纤系统为主，采用12芯MPO的连接器，四通道/十通道的预连接光缆。预连接光缆大大减少安装时间和人工成本，但是如何快速地识别光纤极性，快速并准确的测试链路的衰减成了现场测试的首要问题。

传统光纤测试技术

首先，我们先来回顾一下原有千兆，万兆光纤链路的测试技术。2003年，TIA-526-14-A多模光缆安装光强度损失测试标准正式定义了CPR(CoupledPowerRatio)光耦合率的检测方法，将光源分成5个等级（如下图），LED光源是等级1的光源，VCSEL垂直腔面发射激光光源的等级介于等级3和等级4之间，FP激光光源相当于等级5的光源。同时，进一步提高了光损耗的测试极限值，1000BASE-SX应用于OM1光纤的最大损耗值为2.6dB;10GBASE-SR应用于OM3光纤的最大损耗值为2.6dB。该标准作为光纤链路测试的通用标准，不针对特定的网络应用，强调检测光信号传输时的正常状态，建议使用LED光源测试多模光纤链路，这种方式可以检测光纤链路的最差情况。而激光优化过的VCSEL光源则用于检测特定网络应用的链路，如有源设备使用VCSEL光源或当前网络准备升级使用VCSEL光源，此时测试得到的光纤损耗值比较接近网络应用时的真实损耗值。

TIA-526-14-A标准被多个相关测试标准引用，如ANSI/TIA/EIA-568-B，ISO/IEC11801，ISO/IEC14763-3等标准。并且ANSI/TIA/EIA568-B.1.7.1和ISO/IEC14763-36.22还规定了使用50/62.5um多模光纤卷轴的尺寸和使用方法。卷轴通过盘绕光纤的方式充作模式过滤器，减少光源在光缆中产生的高次模，同时降低了使用不同光源造成的测试结果差异性，提高了多模光纤测试的稳定性和可重复性。

10GMPO多芯光纤测试模型

相比较传统使用LC,SC,ST等连接器的双芯光纤，使用MPO连接器可以支持至少12芯光纤，MPO连接器主要使用于预连接光缆。因为MPO光纤存在12芯通道，TIA-568-C.0-2009B.4详细分析了通道极性，针对双工传输，主要有A,B,C三种种极性的连接方式。三种方式都是为了一个共同的目标----创建一个端到端的光收发通道，但是三种方式不能兼容，分别使用不同极性的的连接器和适配器。为了整条链路的兼容性和一致性，尽量考虑使用相同极性的连接器和适配器，比如使用的跳线极性都是A-B，适配器的类型都是KEYUP-KEYUP，否则极性不同会造成使用混乱，容易安装出错，造成链路故障。因此，10G光纤通道里，MPO主干链路的极性主要采用的C类方式（见下图），两端端口按对应数字编号内部互通，光通道采用两两一组，交叉连接，如1---2,2---1，形成全双工的收发通道。左右两端通过MPO转LC的模块盒转成LC接口，然后通过LC跳线连接设备，此种情况主要应用在数据中心高密度布线系统。

被测链路：

两端为MPO-LCA模块（MPO1-12口一一对应LC1-12口）的主干链路示意图

1)设置基准:用1根LC-LC测试跳线连接测试仪的光源输出口(LC)和功率计输入口(LC)。

2)拔出光功率计输入口跳线，接入另一根测试跳线。

3)接入被测光纤(两端为MTP-LC模块盒，中间是MTP-MTP预连接光缆)，将LC测试跳线分别接入两端A模块，一端为1口，另一端接2口。

4)记录保存当前被测光纤通道的损耗值，然后将光源端LC跳线更换到A模块的2口，光功率计端LC跳线更换到另一侧A模块的1口，记录并保存，直到完成12个通道的损耗测试。

40G/100GMPO多芯光纤测试技术

2010年，802.3ba颁布的40G/100G的链路标准分别为40GBASE-SR4和100GBASE-SR10；使用MPO的连接器和适配器；OM3光纤的最大传输距离为100米，最大损耗值为1.9dB；OM4光纤的最大传输距离为150米，最大损耗值为1.5dB。40G/100G链路主要用于数据中心大流量数据传输，据第三方统计数据，数据中心88%的主干链路长度不超过100米。因此，基于OM3/OM4的MPO预连接光缆将成为40G/100G链路的首选。之前针对10G光纤链路测试定义的阀值，如LC连接器的阀值为0.75dB，允许存在多个连接器（大于两个），熔接点的阀值为0.3dB已经不再适用。新的40G/100G光纤主干链路将使用预连接光缆，链路中无熔接点和连接器，只需考虑两端MPO连接器的损耗和光缆本身的损耗，尽可能的减少连接器的损耗，确保整条链路的衰减值在新标准的要求之内。

影响40G/100G传输的两个关键因素就是光源和光纤链路损耗。更加严格的损耗要求对传统的LED光源测试方法提出了挑战，原有LED光源的输出功率低，发散角大，连接器损耗大，采用过满注入（OFL—OverFilledLaunch）的方式。而使用VCSEL光源的有限注入法（UFL—UnderFilledLaunch），近场强度的光通道集中在中心范围内，在光纤中心的传输模式较少，发散角较小，有效地解决了LED光源的弊端。但是原有IEEE802.3，ANSI/TIA和ISO/IEC等相关标准只是针对LED光源进行了定义，同时考虑到价格因素，并且不同厂家VCSEL的光功率分布差异较大，因此针对40G/100G的测试的新标准没有采用VCSEL光源进行定义。同样，2006年颁发的ISO/IEC14763-3定义了MPD（ModalPowerDistribution）模态功率分布的方法，虽然通过波导阵列改善了耦合强度，但是同样不能满足40G/100G传输的需要。

2010年10月，ANSI/TIA-526-14-B代替了ANSI/TIA-526-14-A，定义了EF(EncircledFlux）光源环形通量的测试方法，该方法同时定义在IEC61280-4-1标准中。EF通过模式调节器限制多模光源的发射条件，过滤高次模的光信号，使用代用EF控制器的跳线代替原有使用多模卷轴的普通测试跳线（如下图）。当被测光纤连接器和测试设备连接器相同时，可以使用1或3条测试跳线；当被测光纤连接器和测试设备连接器不同时，使用3条测试跳线；测试跳线至少2米，不超过10米。环型通量可将损耗测量偏差从原有±40%降低至±10%，从而降低测量不确定性并提高每次测量的可重复性。

40G/100GMPO光纤测试模型

一条标准的MPO/MTP链路是由两端两根MPO跳线，两个MPO适配器和MPO的预连接主干光缆组成。在TIA-568-C.0-2009B.4里，针对并行多通道传输，给出了A和B两种方式（见下图，Table5）。

为了保障链路的兼容性和单一性，施工和维护比较方便，特别是经常插拔和更换的MPO跳线，在40G/100G布线系统中，方式B将会更多的被采纳。40G和100G的通道数量不同，但是其传输链路模型是相同的，都是使用MPO/MTP接口进行端到端的传输。因此，我们以40G单通道传输为例，测试时需注意预连接光缆和跳线的端口端口类型----有引导针（公头）和无引导针（母头）。

被测MPO链路（母-母）：

传统MPO多芯光纤测试模型----采用LC接口的光源和光功率计

1)设置基准:使用3段光纤跳线和2个LC适配器进行基准设置，光源输出口端使用多模卷轴，如下图所示。

2)将中间两个LC适配器间的LC短跳线去掉，分别添加2根LC-MPO（公）的多芯短跳线，连接第1对LC，用于测试MPO第1,2口，如下图所示。

3)将被测MPO光纤链路接入，进行测试，得出MPO第1,2口衰减值并保存。

4)断开两端LC适配器和多芯LC-MPO(公)跳线，按照B类极性进行余下5对链路的衰减测试。

由此可以看出，使用LC接口的光源和光功率进行40G/100G的链路测试，需要MPO转到LC的扇形跳线，光源输出口端接的跳线必须带有多模卷轴，并且每测试一个通道都需要进行基准设置。因此，此方法操作比较复杂，每根MPO链路需测试12次，在大规模测试时，耗费较多时间。

最新MPO多芯光纤测试模型----采用MPO接口的光源和光功率计

目前市场上已经有MPO接口的光纤现场测试设备，带有EF控制光源，可以较好的满足MPO光纤链路的现场测试。采用MPO接口适配器和MPO的基准跳线，设置相应的链路衰减门阀值，可以一次性进行12条链路的基准设置和衰减测试，自动检测MPO光纤的极性并出具报告。需要注意被测MPO链路连接器有无引导针（公/母），即两端都无引导针（母-母），两端都有引导针（公-公），一端有引导针另一端无引导针（公-母）三种情况，选择合适的基准跳线进行基准设置。下面以最常见的两端都无引导针，即两端都是母头的MPO光纤链路模型进行测试。

被测MPO链路（母-母）：

1)设置基准:使用1根MPO(公-公)测试跳线连接光源和光功率计，进行基准测试。

2)断开光功率计端跳线，再接入一根MPO(公-公)测试跳线。

3)将被测B类光纤链路接入，进行测试得到光纤极性和12根通道的损耗，保存测试结果。

4)重复步骤2）至3），进行下一根MPO（母-母）光纤链路的测试。

结束语

原有10GMPO测试的模型不再适合今后40G/100G的测试需要，LC接口的光源和光功率计导致MPO光纤链路测试次数和时间大大增加，一根12芯的MPO主干链路完整测试需要将近十分钟，并且测试稳定性较差。因此，需要使用带有MPO接口的测试仪器进行测试。同时，EF环形通量控制代替了多模卷轴，增加了光纤链路测试的稳定性和可靠性。100G传输采用十通道收和十通道发的模式较为复杂，IEEEP802.3bm40G/100G工作小组将会对100G的传输模式进行改进，原有的十通道的收发模式将会被四通道代替。作为40G/100G的下一代，高达400G的以太网传输标准即将在明年启动，预计使用OM4光纤。MPO接口的光纤链路在今后的部署将会越来越广，不再局限于电信运营商和数据中心等高端用户，了解MPO光纤链路的传输模型和测试技术将有助于我们更好的驾驭未来的40G/100G高速通信传输通道。

参考文献：

[1]TheneedforEncircledFlux,realorimaginaryAdrianYoung

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