论文部分内容阅读
【摘要】介绍了多模光纤插入损耗测试的背景和意义;讨论了光源发射条件不同导致的多模光纤插入损耗测试结果不一致的问题;介绍了环形通量（Encircled Flux）及对多模光纤插入损耗测试的重要性;最后分别使用符合和不符合环形通量要求的光源对多模光纤插入损耗进行测试，并对测试结果进行了分析。
【关键词】多模光纤;插入损耗;光源发射条件;环形通量
【作者简介】刘德强：工程师，硕士研究生，从事光通信产品的测试与标准研究。
中图分类号：TN94 文獻标识码：A 文章编号：1673-0348（2020）012-127-03
Abstract： This paper introduces the background and significance of multimode fiber insertion loss test. The inconsistent test results of multimode fiber insertion loss caused by different emission conditions of light sources are discussed The encircled flux and the importance of testing the insertion loss of multimode fiber are introduced. Finally， the insertion loss of multimode fiber is tested by using light sources which meet and do not meet the requirements of encircled flux， and the test results are analyzed.
Keywords：multimode fiber; Insertion loss; Emission condition of light source; encircled flux
1. 引言
和单模光纤相比，多模光纤的芯径和数值孔径更大，可以从光源耦合更多的光功率。此外，相对于单模传输方案，多模传输方案可以采用低成本，低功耗的激光器。但是多模光纤由于色散大，不适合长距离传输。因此，多模光纤被广泛应用于数据中心短距离传输网络。
插入损耗是多模光纤的一个非常重要的参数，直接影响到链路的损耗。随着局域网的带宽越来越大，链路损耗预算也越来越紧，例如ISO/IEC/IEEE 8802-3规定，采用40G BASE-SR4/100G BASE-SR10方式传输数据时，100米长的OM3光纤链路可接受的链路损耗仅为1.9dB，150米长的OM4光纤链路可接受的链路损耗仅为1.5dB。在这样的严格限制下，对多模光纤插入损耗测试的准确性要求也越来越高。
2. 多模光纤插入损耗测试的问题
多模光纤插入损耗的测试在很大程度上取决于测试光源的发射条件。不同的光源会产生不同的发射条件。例如，一个LED光源将以“过满注入（Over fill）”的方式将光注入到光纤内，而一个激光器光源（如VCSEL）将以“欠注入（Under fill）”的方式将光注入到光纤内，如图1所示。使用不同发射条件的光源进行多模光纤的插入损耗测试时，由于光源的注入方式不同，将给测试结果带来差异。
当采用LED光源进行测试时，由于光源的发散角大，光源以“过满注入”的方式将多种模式的光注入到光纤内。稳定的低阶模在靠近纤芯中心传输，而不稳定的高阶模在远离纤芯中心甚至在包层中传输。不稳定的高阶模在光纤中传输一段距离后将会消失，因此插入损耗测试结果将比实际值偏大。
当采用VCSEL光源进行测试时，由于光源的发散角小，光源以“欠注入”的方式将少量模式的光注入到光纤内。由于光源发射的高阶模数量太少，而且某些故障（例如连接器插头对接时的纤芯错位）无法被检测到，因此插入损耗测试结果将比实际值偏小。
在“过满注入”和“欠注入”的发射条件下测试得到的插入损耗结果偏差很可能会高达50%以上。这种偏差对于日益紧张的链路损耗预算是无法接受的。
3. 环形通量对多模光纤插入损耗测试的影响
测试多模光纤插入损耗时，为了得到准确一致的结果，测试光源的发射条件必须要保持一致性，符合“环形通量”的要求。
3.1 环形通量介绍
环形通量EF是指近场累积光功率相对于总输出光功率的比率，它是距纤芯中心的径向距离的函数。环形通量EF可以按照公式（1）进行计算。
其中，I（x）是近场光功率密度;r是距纤芯中心的径向距离;R是积分上限，根据IEC-61280-1-4和TIA-455-203的规定，R取值为光纤纤芯标称半径的1.15倍。
环形通量明确规定了光纤中光功率的分布情况，使光源发射条件介于“过满注入”和“欠注入”之间。IEC-61280-4-1中给出了环形通量的模板，规定了EF的上下限值，保证了光源发射条件的一致性，从而使得多模光纤插入损耗测试结果具有一致性。
3.2 环形通量保证多模光纤插入损耗测试结果的一致性
将10根长度均为25m的50/125μm的多模跳纤编号为1#～10#，使用光源功率计法（LSPM）测试其插入损耗，测试波长为850nm。选取3个不同发射条件的光源，其中光源1为过满注入，光源2为欠注入，均不符合环形通量要求，光源3符合环形通量要求，如图2所示。使用这3个光源进行插入损耗测试，测试结果见表1和图3。然后使用模态控制器分别优化光源1和光源2，使其符合环形通量要求，优化后的光源记为光源1’和光源2’，如图2所示。使用光源1’和光源2’进行插入损耗测试，测试结果见表1所示和图3所示。 從测试结果可以看出，正如本文第2部分所述，使用光源1（过满注入）的插入损耗测试结果比光源3（符合EF要求）的测试结果偏大，偏差范围为56-121%;使用光源2（欠注入）的插入损耗测试结果比光源3（符合EF要求）的测试结果偏小，偏差范围为33-67%;使用光源1’（优化后符合EF要求）的插入损耗测试结果和光源3（符合EF要求）的测试结果比较一致，偏差范围为0-15%;使用光源2’（优化后符合EF要求）的插入损耗测试结果和光源3（符合EF要求）的测试结果比较一致，偏差范围为0-22%。由此可见，环形通量大大降低了测试结果的不一致性。
4. 结束语
随着数据中心的数据传输速率越来越高，链路损耗预算也越来越紧张，准确的损耗测试结果是保障链路正常工作的前提。使用不同发射条件的光源进行多模光纤插入损耗测试会给测试结果带来较大差异。环形通量保证了光源发射条件的一致性，使用符合环形通量要求的光源进行测试，才能获得准确一致的测试结果。
参考文献：
[1]ISO/IEC/IEEE 8802-3：2017，Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 3： Standard for Ethernet.
[2]IEC 61280-4-1：2009，Fibre-optic communication subsystem test procedures–Part 4-1： Installed cable plant–multimode attenuation measurement.
[3]IEC 61280-1-4：2009， Fibre-optic communication subsystem test procedures–Part 1-4：General communication subsystems–light source encircled flux measurement method.
[4]TIA-455-203-A：2009，Light source encircled flux method.
【关键词】多模光纤;插入损耗;光源发射条件;环形通量
【作者简介】刘德强：工程师，硕士研究生，从事光通信产品的测试与标准研究。
中图分类号：TN94 文獻标识码：A 文章编号：1673-0348（2020）012-127-03
Abstract： This paper introduces the background and significance of multimode fiber insertion loss test. The inconsistent test results of multimode fiber insertion loss caused by different emission conditions of light sources are discussed The encircled flux and the importance of testing the insertion loss of multimode fiber are introduced. Finally， the insertion loss of multimode fiber is tested by using light sources which meet and do not meet the requirements of encircled flux， and the test results are analyzed.
Keywords：multimode fiber; Insertion loss; Emission condition of light source; encircled flux
1. 引言
和单模光纤相比，多模光纤的芯径和数值孔径更大，可以从光源耦合更多的光功率。此外，相对于单模传输方案，多模传输方案可以采用低成本，低功耗的激光器。但是多模光纤由于色散大，不适合长距离传输。因此，多模光纤被广泛应用于数据中心短距离传输网络。
插入损耗是多模光纤的一个非常重要的参数，直接影响到链路的损耗。随着局域网的带宽越来越大，链路损耗预算也越来越紧，例如ISO/IEC/IEEE 8802-3规定，采用40G BASE-SR4/100G BASE-SR10方式传输数据时，100米长的OM3光纤链路可接受的链路损耗仅为1.9dB，150米长的OM4光纤链路可接受的链路损耗仅为1.5dB。在这样的严格限制下，对多模光纤插入损耗测试的准确性要求也越来越高。
2. 多模光纤插入损耗测试的问题
多模光纤插入损耗的测试在很大程度上取决于测试光源的发射条件。不同的光源会产生不同的发射条件。例如，一个LED光源将以“过满注入（Over fill）”的方式将光注入到光纤内，而一个激光器光源（如VCSEL）将以“欠注入（Under fill）”的方式将光注入到光纤内，如图1所示。使用不同发射条件的光源进行多模光纤的插入损耗测试时，由于光源的注入方式不同，将给测试结果带来差异。
当采用LED光源进行测试时，由于光源的发散角大，光源以“过满注入”的方式将多种模式的光注入到光纤内。稳定的低阶模在靠近纤芯中心传输，而不稳定的高阶模在远离纤芯中心甚至在包层中传输。不稳定的高阶模在光纤中传输一段距离后将会消失，因此插入损耗测试结果将比实际值偏大。
当采用VCSEL光源进行测试时，由于光源的发散角小，光源以“欠注入”的方式将少量模式的光注入到光纤内。由于光源发射的高阶模数量太少，而且某些故障（例如连接器插头对接时的纤芯错位）无法被检测到，因此插入损耗测试结果将比实际值偏小。
在“过满注入”和“欠注入”的发射条件下测试得到的插入损耗结果偏差很可能会高达50%以上。这种偏差对于日益紧张的链路损耗预算是无法接受的。
3. 环形通量对多模光纤插入损耗测试的影响
测试多模光纤插入损耗时，为了得到准确一致的结果，测试光源的发射条件必须要保持一致性，符合“环形通量”的要求。
3.1 环形通量介绍
环形通量EF是指近场累积光功率相对于总输出光功率的比率，它是距纤芯中心的径向距离的函数。环形通量EF可以按照公式（1）进行计算。
其中，I（x）是近场光功率密度;r是距纤芯中心的径向距离;R是积分上限，根据IEC-61280-1-4和TIA-455-203的规定，R取值为光纤纤芯标称半径的1.15倍。
环形通量明确规定了光纤中光功率的分布情况，使光源发射条件介于“过满注入”和“欠注入”之间。IEC-61280-4-1中给出了环形通量的模板，规定了EF的上下限值，保证了光源发射条件的一致性，从而使得多模光纤插入损耗测试结果具有一致性。
3.2 环形通量保证多模光纤插入损耗测试结果的一致性
将10根长度均为25m的50/125μm的多模跳纤编号为1#～10#，使用光源功率计法（LSPM）测试其插入损耗，测试波长为850nm。选取3个不同发射条件的光源，其中光源1为过满注入，光源2为欠注入，均不符合环形通量要求，光源3符合环形通量要求，如图2所示。使用这3个光源进行插入损耗测试，测试结果见表1和图3。然后使用模态控制器分别优化光源1和光源2，使其符合环形通量要求，优化后的光源记为光源1’和光源2’，如图2所示。使用光源1’和光源2’进行插入损耗测试，测试结果见表1所示和图3所示。 從测试结果可以看出，正如本文第2部分所述，使用光源1（过满注入）的插入损耗测试结果比光源3（符合EF要求）的测试结果偏大，偏差范围为56-121%;使用光源2（欠注入）的插入损耗测试结果比光源3（符合EF要求）的测试结果偏小，偏差范围为33-67%;使用光源1’（优化后符合EF要求）的插入损耗测试结果和光源3（符合EF要求）的测试结果比较一致，偏差范围为0-15%;使用光源2’（优化后符合EF要求）的插入损耗测试结果和光源3（符合EF要求）的测试结果比较一致，偏差范围为0-22%。由此可见，环形通量大大降低了测试结果的不一致性。
4. 结束语
随着数据中心的数据传输速率越来越高，链路损耗预算也越来越紧张，准确的损耗测试结果是保障链路正常工作的前提。使用不同发射条件的光源进行多模光纤插入损耗测试会给测试结果带来较大差异。环形通量保证了光源发射条件的一致性，使用符合环形通量要求的光源进行测试，才能获得准确一致的测试结果。
参考文献：
[1]ISO/IEC/IEEE 8802-3：2017，Information technology–Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 3： Standard for Ethernet.
[2]IEC 61280-4-1：2009，Fibre-optic communication subsystem test procedures–Part 4-1： Installed cable plant–multimode attenuation measurement.
[3]IEC 61280-1-4：2009， Fibre-optic communication subsystem test procedures–Part 1-4：General communication subsystems–light source encircled flux measurement method.
[4]TIA-455-203-A：2009，Light source encircled flux method.