从10G到40G/100G MPO光纤链路测试技术的变化

文│ 罗森伯格亚太电子有限公司 李 平

从10G到40G/100G MPO光纤链路测试技术的变化

文│ 罗森伯格亚太电子有限公司 李 平

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，这些是决定网络传输质量的重要环节。布线系统的可靠性不仅取决于工程中的质量监督，同时还必须对现场进行验收测试。

10G；40G；100G；光纤；链路

1 引言

在这个信息产业化的时代，我们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、互联设备及构建网络的基础互连通道都是以布线系统为基础实施。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，同时这些是决定网络传输质量的重要参考标准。布线系统的可靠性不仅取决于工程中的质量监督，同时必须对现场进行验收测试。

2 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链路，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。经过两年多的系统测试，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，而楼宇和数据中心布线系统主要以短距离传输的多模OM3/OM4光纤系统为主，采用12芯MPO连接器的四通道、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，但是如何快速识别光纤极性并准确的测试链路的衰减成了现场测试的首要问题。

表1 Table 1-850nm CPR Categorles

3 传统光纤测试技术

首先，我们先来回顾千兆、万兆光纤链路的测试技术。2003年，TIA 526-14A多模光缆支线安装的光功率损耗测量标准正式定义了CPR光耦合率的检测方法，将光源分成5个等级（如表1所示），LED光源是等级1的光源，VCSEL垂直腔面发射激光光源介于等级3和等级4之间，FP激光相当于等级5的光源。同时，为了进一步提高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，这种方式可检测光纤链路的最差情况。而被激光优化过的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 526-14A标准被多个相关测试标准引 用， 如 TIA/EIA 568B、ISO/IEC 11801、ISO/IEC 14763-3等标准。并且TIA/EIA 568B.1.7.1和ISO/IEC 14763-3 6.22还规定了使用50/62.5 μ m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当模式过滤器，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测试结果的差异性，提高了多模光纤测试的稳定性和可重复性。

4 10G MPO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 568C.0-2009 B.4详细分析了通道极性，而双工传输主要有A、B、C 三种极性的连接方式，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，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，在10G光纤通道里，MPO主干链路的极性主要采用C类方式，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，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。

被测链路如图1所示。

（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），如图2所示。

（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，一端接1口，另一端接2口，如图3所示。

记录并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，如表2所示。

表2

5 40G/100G MPO多芯光纤测试技术

2010年，IEEE 颁布 802.3ba标准的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100m，最大损耗值为1.9dB；OM4光纤的最大传输距离为150m，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100m。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，采用过满注入的方式。而使用VCSEL光源的有限注入法，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IEEE 802.3、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/IEC 14763-3定义了MPD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 526-14B代替了ANSI/TIA 526-14A，定义了EF光源环型通量的测试方法，该方法同时定义在IEC 61280-4.1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（如图4所示）。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2m，不超过10m。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。

6 40G/100G MPO光纤测试模型

一条标准的MPO/MTP链路是由两端两根MPO跳线及两个MPO适配器和MPO的预连接主干光缆组成。在TIA 568 C.0-2009 B.4里，针对并行多通道传输、给出了A和B两种方式，如表3所示。

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

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类型，即有引导针（公头）和无引导针（母头）。

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，如图5所示。

（2）将中间两个LC适配器间的LC短跳线去掉，分别添加两根LC-MPO（公）的多芯短跳线，连接第一对LC，用于测试MPO第1口和第2口，如图6所示。

（3）将被测MPO光纤链路接入，进行测试，得出MPO第1口和第2口衰减值并保存，如图7所示。

（4）断开两端LC适配器和多芯LCMPO（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的链路测试时，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设置基准。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，耗时较长。

7 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光纤的极性并做出具体报告。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。

（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，如图8所示。

（2）断开光功率计端跳线，再接入一根MPO（公-公）测试跳线，如图9所示。

（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，如图10所示。

（4）重复步骤2、3，进行下一根MPO（母-母）光纤链路的测试。

8 结束语

原有10G MPO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环型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，IEEE 802.3bm 40G/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。

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