表 1. 不同应用的光损耗预算及相应的容许距离
受控实验结果表明，使用溢流注入光源和芯轴绕线作为模式调节滤波器所获得的光损耗测量结果会因测试设备的不同而出现显著差异，而使用环绕通量（EF）测试方法进行的相同测试则在不同测试仪器之间表现出高度一致性。环绕通量测试是业内专家推荐的用于精确测量传统和抗弯曲多模光纤光损耗的测试方法，这对于光损耗预算严格的高速应用尤为重要。环绕通量测试是40G和100G以太网应用的指定测试方法。.
表1. OM4光纤TIA-492AAAD规范，2009年9月
光损耗测试——为何如此重要？
对于数据传输速率极高的应用而言，提供精确的多模光纤光损耗测试方法变得日益重要，因为这些应用对光发射器和光接收器之间信道的最大容许损耗提出了更为严格的要求。例如，表1列出了不同应用的光损耗预算及其对应的最大传输距离。
数据传输速率越高，信道的光损耗预算就越严格。采用OM3多模光纤的10Gb/s以太网信道的最大容许损耗为2.6 dB，而采用OM3光纤的40Gb/s以太网信道和采用OM4光纤的100Gb/s以太网信道的最大容许损耗分别为1.9 dB和1.5 dB。
哪些因素会影响光损耗测试的精度？
以下几个重要因素会影响光损耗测量测试的精度：
1. 测试参考跳线的类型和质量；
2. 测试参考跳线与被测链路之间的光纤不匹配；
3. 光源的特性以及光与光纤的耦合方式；
4. 所使用的模式调节滤波器。
本文将分析所有这些因素对光损耗测量精度的影响。
1. 测试参考跳线的类型和质量：
测试参考跳线的类型和质量对现场光损耗测量的准确性至关重要。跳线连接器抛光插芯的端面几何形状会显著影响测试结果，必须满足精确的参数要求，例如弯曲半径、顶点和光纤突出长度。因此，测试参考跳线必须满足端面几何形状要求，例如 Telcordia GR-326 中规定的要求。此外，如果跳线连接器表面有划痕或污垢，光损耗测试的准确性会大大降低。使用光纤内窥镜检查光纤连接器，如果连接器脏污，则使用干式清洁方法进行清洁。
如何确保光损耗测试结果可靠？一个简单的检查方法是使用一根经过工厂测试的“良好且已知的跳线”。大多数跳线制造商都会在跳线包装上标明实际损耗值。检查并清洁跳线连接器。然后，将这根“良好且已知的跳线”连接到您的设备上，就像连接光纤链路一样，并使用您通常用于链路测试的参考跳线进行测试。将现场测试结果与工厂测试跳线的损耗值进行比较。如果结果差异显著（大于 0.1 dB），则现场测试结果不正确。问题可能出在设备、测试方法，或者最有可能的是测试跳线上。.
2. 两根熔接光纤之间的差异。
光纤差异是光纤固有特性造成的，与熔接技术无关。光纤差异导致的固有耦合损耗主要由以下因素引起：
2.1. 纤芯直径不同；
2.2. 纤芯/包层同心度误差；
2.3. 数值孔径不同。
这些参数的具体规格是什么？表2总结了OM4多模光纤的一些尺寸和光学规格。
当熔接两根分别处于 TIA-492AAAD 规范最小值和最大值极限的光纤时，固有耦合损耗是多少？图 1、图 2 和图 3 分别显示了由于光纤直径差异、纤芯/包层同心度误差和数值孔径差异引起的固有耦合损耗。.
如图 1、2 和 3 所示，在最坏情况下，光纤差异损耗可能相当显著，远超 10 Gbps 及以上数据传输速率应用的损耗预算。那么，究竟发生了什么？我们通常在现场测试中不会观察到如此高的损耗，原因有二：1）目前大多数光纤的制造公差都比规定的公差更严格；2）并非所有模式都被激发到相同的程度；也就是说，由于使用了模式滤波（本文稍后将对此进行解释），高阶模式的功率低于低阶模式。3
. 光源特性及光与光纤的耦合方式
注入条件以及光与光纤的耦合方式会极大地影响光损耗测量。对于多模光纤，不同的注入功率分布（注入条件）会导致不同的衰减测量结果。
如图 4 所示，通过控制注入光斑尺寸和角度分布，利用将光耦合到光纤的光学系统来实现光纤模式之间的功率分配。.
在渐变折射率光纤中，包层附近纤芯的较低折射率导致高阶模式的传播路径比轴向光束（“零阶模式”）更长，呈弯曲状。由于高阶模式在纤芯中传播得更远，更容易被散射或吸收，因此它们的衰减比低阶模式更大。所以，一根较长的、完全填充的光纤（所有模式以相同的功率注入到光纤中）的高阶模式功率会低于相同长度的短光纤。术语“平衡模式分布”（EMD）描述了长光纤中高阶模式的丢失情况。长光纤和短光纤之间模式分布的这种差异会对光纤测量结果产生显著影响。图5展示了多模光纤的相对模式功率分布。.
图 5 展示了长多模光纤段的平衡模式分布 (EMD) 以及使用模式滤波器后短多模光纤段的模式功率分布。模式滤波可以去除高阶模式，但只能提供 EMD 的粗略近似值。.
4. 模式调节滤波器
4.1. 芯轴缠绕模式调节滤波器
芯轴缠绕注入式光纤跳线通常用作模式调节滤波器。芯轴缠绕会使光纤张力增大，从而增加光注入被测光纤时高阶模式的损耗。TIA
-455-78B 的附录 A.1.3.1.2 描述了芯轴缠绕作为模式滤波器的应用。远场测量用于比较一段长（大于 1 km）测试光纤在均匀溢出光源激励下的输出功率分布，以及一段短光纤在施加芯轴缠绕后的输出功率分布。选择合适的芯轴直径，使短光纤的远场功率分布与长光纤的远场功率分布近似。
芯轴缠绕法广泛应用于现场光纤测试。该方法规定使用 1 类溢出光源和缠绕在芯轴上的参考测试跳线。 1类光源的规格由耦合功率比（CPR）测试确定，如图6和图2所示。ANSI/TIA-568-C.0标准的6.4.2.1条款规定了常见多模光纤（五圈）可接受的芯轴直径。
芯轴缠绕测试方法的缺点在于其可能导致显著的测量误差。这种误差源于两方面：1）由于1类光源的规格较为宽松，不同设备会导致耦合光源各模式的功率分布存在差异；2）测试参考跳线中使用的多模光纤的特性存在差异，因为不同光纤制造商的产品弯曲效应可能有所不同。
4.2. 模式调节滤波器 - 环绕通量。
环绕通量 (EF) 是一种新型方法，用于在进行光损耗测量时控制从测试参考电缆 (TRC) 末端注入的光功率分布。
如图 7 [3] 所示，光功率分布的上下限是根据纤芯半径以及 850 nm 和 1300 nm 波长确定的。与使用溢出注入光源和模式调节滤波器（例如，芯轴绕线）的其他光损耗测量方法相比，这种 EF 方法由光学专家开发，旨在降低链路损耗测量的变异性。环绕通量也是 IEEE 802.3ba 标准中规定的 40 Gb/s 以太网 (40GBASE-SR4) 和 100 Gb/s 以太网 (100GBASE-SR10) 的测试方法。
TIA 在新的光纤测试标准中采用了环绕通量法。
环绕通量测试方法在 TIA-526-14-B《已安装多模光纤电缆的光功率损耗测量》中有所规定，并与 IEC 61280-1-4 标准相协调。TIA 目前正在制定 ANSI/TIA-568-C.0 标准的附录 2，该附录旨在解决各种光纤问题。该附录的一个章节用以下内容取代了 TIA-455-78B 和 TIA-526-14-A 中规定的芯轴绕线测试方法：
对于多模光缆，布线标准规定衰减测量必须按照 TIA-526-14-B 进行，该标准要求注入跳线出口满足由模式的光谱宽度和功率分布决定的特定注入条件。这些注入条件可以由现场测试仪器本身提供，也可以使用外部模式调节器提供。
将根据TIA-426-14-A方法B采用溢流注入（OFL）/芯轴绕制法获得的光学损耗测量结果与TIA-426-14-B附录A的环绕通量法进行比较。
为了更好地理解光损耗测量结果的变异性，我们设计了一个受控实验，除注入条件外，所有变量均保持不变。
在第一组测试中，我们使用相同的测试参考光缆（采用传统多模光纤）TRC #1 和 TRC #2，缠绕在 22 mm 芯轴上，并使用两台不同的测试设备 OLTS #1 和 OLTS #2，对相同的永久连接 PL a)、PL b) 和 PL c) 进行了测试。在第二组测试中，我们将测试参考光缆替换为包含集成 EF 模块的 EF #1 和 EF #2 光缆，而非芯轴缠绕的版本。在上述不同的注入条件下，我们测量了三条 20 米永久链路的光损耗，这三条链路分别使用以下两种连接器：
永久链路 a) 采用传统多模光纤；
永久链路 b) 采用供应商 A 提供的抗弯曲多模光纤；
永久链路 c) 采用供应商 B 提供的抗弯曲多模光纤。
图 8 显示了测试数据。
**注意：1 类光源的 CPR 值相差 4 dB，代表高阶模式的功率增加 150%。.
测量结果
受控实验的结果如图 9 所示。第一组测试在相同条件下进行，采用溢流注入光源和绕线式模式调节滤波器。使用 OLTS #1 和 OLTS #2 进行测试时，光损耗存在约 0.5 dB 的差异，这种差异会影响所有永久链路，无论光纤类型如何。造成这种差异的原因是什么？
损耗测量结果的差异可归因于两种测试仪器耦合到多模光纤的光量不同。虽然两种光源均符合 1 类标准，但这些规范不足以保证在使用绕线式模式滤波器时，从测试参考跳线末端注入的模式功率分布均匀。在损耗预算为 1.5 dB 至 2.6 dB 的情况下，0.5 dB 的测量差异可能意味着链路通过与否的差别。
在第二组测试中，使用环绕通量模式调节滤波器时，两个测试仪器（OLTS #1 和 OLTS #2）的光损耗测量结果（在 +/- 0.1 dB 的容差范围内）相符。
好消息！
业内已就可靠的测试程序达成共识，这些程序能够提供准确且可重复的光损耗测量结果。环绕通量测试方法可将损耗测量的偏差降低至 +/- 10%（链路衰减大于 1 dB 时）。使用模式控制器即可满足 IEC 61280-4-1 标准的要求。模式控制器可以集成到测试设备中，也可以作为外部设备插入光源和被测光纤之间。
模式控制器是一种无源器件，无论使用何种光源（LED 或激光器），都能确保注入条件满足 IEC 61280-4-1 的要求。
结论：
现场光损耗测试并非表面看起来那么简单，它会受到诸多因素的影响，例如光纤差异、测试参考跳线的类型和质量，以及注入条件（光纤环路/芯轴缠绕法与环形磁通法）。
高速应用对光损耗的严格要求，使得现场链路检测需要一种精确的测试方法。业内专家推荐环形磁通法，因为它能够准确测量传统多模光纤（MMF）和双模光纤（BIMMF）的光损耗。
环形磁通法也是40G和100G以太网应用的指定测试方法。
作者：
作者：Paul Kish，贝尔登公司系统与标准总监
关于作者：
Paul Kish，贝尔登系统与标准总监，是TIA、ISO和IEEE布线标准制定的主要贡献者，也是BICSI技术信息和方法委员会的成员。
