光缆链路故障的原因

文|美国福禄克公司    朱  晨

 

    近两年，随着光纤成本下降，以及1000Base和10G以太网的广泛应用和升级，光纤通信已经逐渐成为局域网布线、以及FTTx网络建设的重要组成部分。由于光纤对于电磁干扰免疫的特性，使得我们可以不用再特别考虑类似电源箱、UPS等电磁辐射设备的位置设计，从而大大提高综合布线的灵活性和效率。然而也正因如此，往往下意识地认为光纤布线非常简单安全，而忽视了光纤链路故障可能引发的重大网络问题。
    需要指出的是，为了保证光信号远距离、低损耗的传输，整条光纤链路必须满足非常苛刻且敏感的物理条件。任何细微的几何形变或者轻微污染都会造成信号的巨大衰减，甚至中断通信。在实际工作中，引起光缆链路故障的主要原因有：光缆过长、弯曲过渡、光纤受压或断裂、熔接不良、核心直径不匹配、模式混用、填充物直径不匹配、接头污染、接头抛光不良、接头接触不良。

1  光缆过长
    由于光纤本身的缺陷和掺杂组分的非均匀性，使得其中传播的光信号时时刻刻都在发生着散射和被吸收。随着制造原料和制造工艺的改进，如今的光纤已经将1970年每公里20dB的衰减减小到每公里1dB。同时，ISO 11801、ANSI/TIA/EIA 568B等标准化组织也对光纤链路单位距离衰减作了明文规定。
    然而即便如此，光纤本身的衰减依然存在。所以当光纤链路过长，就会造成整条链路的整体衰减超过了网络设计的门限，导致通信质量的下降。在实际工作中，由于光链存在众多盘线，所以光链路的长度往往大于实际通信节点的物理距离，稍不小心就会造成光链路过长。所以，在布线设计时要明确各段线路的长度设计，预防光缆过长。同时在布线施工完成后，通过仪表测量光链路的实际长度，如图1所示（Flukenetworks公司的OptifiberTM能够测量每段接线的长度，以方便在必要处修正链路），以保证施工与设计的一致性。

图1  OptifiberTM光纤长度和连接图

2  弯曲过度
    光缆弯曲损耗和受压损耗其本质都是由于光不满足全内反射的条件而造成的。
    光纤具有一定的易弯曲性，尽管可以弯曲，但当光纤弯曲到一定程度时，将引起光的传播途径的改变，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，产生弯曲损耗。当光在弯曲部分中传输时，越靠近光纤外侧传输速度就越大。当传输到某一位置时，其速度就会超过光速，传导模变成辐射模产生损耗。当弯曲半径过小时，由弯曲造成的损耗会变得非常明显。所以，一般建议动态弯曲半径不得小于光缆外径的20倍，静态弯曲半径不得小于光缆外径的15倍,
    实际使用中，光纤中数据是沿直线传播的，光纤保持不弯曲，数据就不会出现问题；如果弯一点，数据就开始溢出；如果把光纤紧紧缠绕成一个圈，就会彻底失去信号。所以，在布线施工时，要特别注意给走线预留充足的角度，例如沿着墙角、走廊、桌面稍微弯曲过渡，传输就可能失败了。
    另一方面，也可以利用弯曲将光纤中高次模过滤掉，从而提高光线衰减测量时的稳定性。图2显示了光信号在光纤中辐射模衰减的原理，以及经卷轴调制高次模的过程。

图2

3  光缆受压或断裂
    光纤受到不均匀应力的作用，例如受到压力或者套塑光纤受到温度变化时，光纤轴产生微小不规则弯曲甚至断裂，其结果是传导模变换为辐射模而导致光能损耗。尤其，当断裂发生在光缆内部时，从外表无法发现故障，但是在光纤断裂处由于折射率发生突变，甚至会形成反射损耗，使光纤的信号质量相信就会大打折扣。此时，可以通过OTDR测试仪检测发现光纤内部弯曲处或断裂点。需要指出的是，在局域网布线中距离较短，所以对于OTDR测试仪的精度要求较高，一般建议使用事件死去（即分辨精度）不大于1m的测试仪器。

4  光缆熔接不良
    在光纤布线中，经常会用到熔接技术将两段光纤融合成一条。由于是对核心层的玻璃纤维进行熔接，所以在熔接过程中需要剥除被熔光纤的表皮和填充物，然后再熔接。在现场操作过程中，由于操作不当以及恶劣的施工环境，很容易造成玻璃纤维的污染，从而导致在熔接过程中混入杂质、密度变化、甚至产生气泡如图3所示，最终是整条链路的通信质量下降。

图3

    所以不论是热熔或冷熔技术，为了保证熔接点衰减能够达到TIA和ISO共同规定的0.3dB对于被熔光纤、以及操作流程都严格的要求和规定。例如需要保证熔接机电极的清洁，需要在熔接前保证玻璃纤维的干净，需要保证现场施工环境温度和湿度等。当遇到光纤熔接问题造成衰减，可以通过OptifiberTM精确判断每个熔接点的位置和损耗。

5  核心直径不匹配
    活动连接也是光纤布线中经常使用的布线手段，例如法兰连接。这种方法灵活、简单、方便、可靠，多用在建筑物内的计算机网络布线中。活动连接一般损耗在1dB左右，但是如果制作活动连接时光纤端面不清洁，接合不紧密，核心直径不匹配的话（如图4所示），接头损耗就会大大增加。其中核心直径不匹配不仅指单模多模光纤混用，还包括62.5和50线径的多模光纤混用。

图4

    无论是模式混用或是线径混用，可以想象光线从小直径向大直径入射与光线从大直径向小直径入射产生的光路和衰减会有很大区别。所以此时对同一根光纤在不同方向上的衰减测试结果会有很大差别，有时甚至会发生“负衰减”现象（如图5所示）。通过双端功率测试或OTDR测试（如图6所示），可以比较方便地发现核心直径不匹配问题。

图5  62.5和50微米线径混用

图6   62.5和50微米线径混用OTDR曲线

    值得一提的是，单模光纤和多模光纤除了核心直径不同，由于它们传输的光模式、优势波长和衰减机理也完全不同，绝对不可以混用。

6  填充物直径不匹配
    与核心直径不匹配的原因类似，光缆接续过程中，光纤填充物直径也会发生不匹配。填充物不匹配主要会引起光纤接续错位，从而产生光信号泄露，发生衰减。

7  接头污染
    光纤接头污染、尾纤受潮是造成光缆通讯故障的最主要的原因之一。Martin Technical Research公司独立调研发现80%的用户和98%供应商经历过光纤端接面不洁造成的故障，另有72%的用户和88%的供应商经历过抛光不良造成问题。这个指标远远高于其他原因引起的光纤故障（如表1所示）。
    表1

    尤其在局域网中存在着大量的短跳线，和众多的交换设备，光纤的插拔、更换、转接非常频繁。在这样的操作过程中，灰尘的掉落，手指的触碰，插拔的损耗等都很容易污染光纤接头。而这些污染都会对光的传输造成影响。通过光纤显微镜(如Flukenetworks公司的FiberInspector)我们可以在线清晰地看到几十纳米光纤端面的实际情况，从而对受污的端面进行清洁。

8  接头处抛光不良
    除了接头污染，街头抛光不良也是光线链路的主要故障之一。在理想光链路中，光接头的端面都是平整贴合的。当光信号通过端面时，少量光产生反射，大多数光穿过端面继续传播。然而，现实中理想的光接头时不存在，它们或多或少都存在一定的凸起、凹陷、或者倾斜（如图7所示）。

图7

    这些瑕疵肉眼无法发现，但是当链路中的光信号遇到此类接头时，由于接合面不规则光线产生的反射比理想状态要大得多，同时会还产生漫射和散射，造成光信号的衰减。在OTDR的曲线上表现为，抛光不良的端面的衰减死区远大于正常端面。

9  接头处接触不良
    接头接触不良主要发生在光路终结处，例如光配线箱和光交换机。可能由于操作人员疏忽，或者设备质量问题，又或接头老化等，导致光纤接头不紧密，造成光信号的反射损耗和泄露衰减。此外，接头安装精度公差超标，也会引起光接头的松动，造成整条光链路性能参数的漂移。
    综上所述，光纤布线系统虽然对于电磁干扰完全免疫，但是由于其本身的物理特性是的光纤通信系统同样存在许多故障隐患：如光缆过长、弯曲过渡、光纤受压或断裂、熔接不良、核心直径不匹配、模式混用、填充物直径不匹配、接头污染、接头抛光不良、接头接触不良等。就其原理来讲，光纤故障的本质是光全反射和透射条件受影响导致的。外力挤压、过度弯曲会造成光纤的形变；熔接时混入的杂质、气泡会造成光路密度的变化；线径不匹配，端面的污染和抛光不良都会造成折射率突变。
    这些物理性质变化所引起的光纤通信故障，与传统电缆通信中的电气故障相比，不论在成因、表现、和影响上都有其本质的不同。更为特殊的是，光纤通信的精密性使得光纤的故障难以通过肉眼发现。例如端面的污染、链路内部断裂造成的故障，从外表来看都是无法发现的。这就要求我们在光纤布线时要特别注意，尽可能防止人为原因造成不必要的光纤故障。同时，在布线完工时，以及日常维护时，使用光纤维护仪器（如Flukenetworks公司的SimpliFiber光功率计，OptiFiber光时域反射计，FiberInspetor端面显微镜等）对光缆进行验收和维护。这不仅能及时发现已有的光纤故障问题，同时也能在问题突发时快速定位解决问题，从而保障网络运行的安全。