新增通用理论教程
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# 1.2光纤测试相关知识
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> 本章节内容可参见《网络测试和故障诊断 第二版》 3.1.2 潘凯恩 主编 电子工业出版社
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> 图片和内容版权所有。
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光纤是一种玻璃或塑料材质制成的纤维，利用光的全反射原理进行信号传输。微细的光纤封装在敷层护套中，即使弯曲也不易断裂。网络中常用的光波长是850nm、1300nm、1310nm和1550nm。网络中光纤使用的发射光源一般为发光二极管（LED）光源或激光光源，一端发射光源，将光脉冲注入光纤，另一端负责接收。通常使用光敏元件来提取光脉冲。
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在光纤中，光线入射角必须大于临界角的数值。只有在某一角度范围内射入光纤的光线，才能够通过整个光纤，不会有泄漏损失。这个角度范围称为光纤的受光锥角（Acceptance Cone），如图3.7所示。受光锥角是光纤的核心折射率与包覆折射率差值的函数。在光纤中，把受光锥角的一半（称为受光角，记为*q*max）的正弦定义为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径越大，越不需要精密的熔接和操作技术。
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.7 光纤的受光锥角</figcaption>
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### **光纤分类**
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光纤按照波长不同分为单模光纤和多模光纤。所谓“模”，是指以一定入射角进入光纤的一束光。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模式色散，如图3.8所示。由于每个模进入光纤的角度不同，因此它们所走过的路径不同，到达终点的时间也不同。高次模走的路程长，耗时也长；低次模走的路程短，耗时也短。在光传输中最高次模与最低次模到达终点所用的时间差就形成了光脉冲的展宽。由于模式色散的存在限制了多模光纤的传输带宽和距离，因此多模光纤一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中。单模光纤采用单一模传输，无须考虑模式色散问题，可用的传输带宽大，传输距离长，而且纤芯细，被大量运用于建筑物间或者远距离的传输。多模光纤和单模光纤传输示意图如图3.9所示。
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.8 多模光纤中的模式色散</figcaption>
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.9 光纤传输示意图</figcaption>
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.10 多模光纤和单模光纤的结构</figcaption>
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单模光纤虽然带宽大、损耗小，但在网络中不可能全部使用单模光纤。因为在网络实际安装部署中，特别是光纤进入建筑物内后，存在弯路多的特点，这必将引起损耗加大，并且节点会增多，光功率被衰减的次数也更频繁，这都要求光纤内部有足够的光功率。多模光纤比单模光纤芯径粗，数值孔径大，能从光源中耦合更多的光功率。另外，建筑物内网络连接器和耦合器的用量较大。单模光纤无源器件比多模光纤的贵，而且相对精密、允差小，操作不如多模器件方便可靠。因此现有网络中单、多模光纤并存，互为补充。
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### **光纤接头**
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光纤接头包括光纤连接头和连接器，其目的就是让光纤的接续快速方便，而不需要烦琐的熔接。光纤连接头和连接器应配套使用。光纤接头有很多种，不同光纤接头的差别在于接头规格及接续方法的不同。一般在同一系统中要求采用同一种光纤接头。
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按照不同的分类方法，光纤连接器可以分为不同的种类：按传输媒介不同分为单模光纤连接器和多模光纤连接器；按结构不同分为FC、LC、SC和ST等；按光纤连接头端面不同分为SPC、PC（UPC）和APC。
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根据回波损耗不同，紧密接触光纤连接器又分为PC（Physical Contact）、SPC（Super Physical Contact）、UPC（Ultra Physical Contact）和APC（Angle Polished Connector）连接器。工业标准规定，一般PC连接器的回波损耗（回波损耗是指有多少比例的光被光纤连接器的端面反射，回波损耗越小越好）为-35dB，SPC连接器的回波损耗为-40dB，UPC连接器的回波损耗为-50dB，APC连接器的回波损耗为-60dB。不同的连接器原则上不能混接。表3.3中列出了常见的光纤连接头和连接器。
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**表3.3 常见的光纤连接头和连接器**
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| 光纤连接头 | 连 接 器 | 结 构 | 材 质 | 接入方式 |
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|----------------------------------------------------------|-------------------------------------------------------------|-----------------------------------------------|-----------------------|----------|
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|  |  | FC（Ferrule Connector） | 金属接头 | 旋转 |
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|  |  | LC（Lucent Connector/Local Connector） | Lucent接头/ Local接头 | 插扣 |
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|  |  | SC（Subscriber Connector/Standard Connector） | 用户端接头/ 标准接头 | 插扣 |
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|  |  | ST（Straight Tip） | 金属接头 | 旋扣 |
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在数据中心场景中还会用到新型连接器MPO/MTP。MPO为Multi-fiber Pushon的缩写，MTP为Multi-fiber Termination Pushon的缩写。MTP连接器是MPO连接器的一种，是US Conec公司的注册商标。一般描述MPO解决方案时不使用MTP名称。相对于LC连接器，MPO连接器拥有更紧凑的空间，如图3.11所示，使得光纤密度得到极大改善。同样的1U单元，使用MPO连接器可以实现高密度光纤部署，这是LC光纤方案无法做到的。
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光纤链路速率和通道速率的发展如图3.12所示。
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alt="LC连接头和MPO连接头"
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>（a）LC连接头（左）和MPO连接头（右）</figcaption>
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</figure>
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alt="LC连接头及模块和MPO连接头及模块"
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/>
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>（b）LC连接头及模块（左）和MPO连接头及模块（右）</figcaption>
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.11 LC连接器和MPO连接器对比</figcaption>
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</figure>
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ANSI/TIA 568.3-D和ISO/IEC 11801 Ed.3都定义了平行和阵列连接器（MPO）。一般，MPO连接器中的芯数为12的倍数，如图3.13（a）所示。2010年，40G和100G标准就定义了可以在基于Base12的MPO上实现40Gb/s和100Gb/s的传输速率，但因为基于SR4的协议逐步成为主流，而25Gb/s和50Gb/s单通道技术的实现使Base8的技术也得到了运用，即连接器中的芯数为8，如图3.13（b）所示。原先Base12以12芯为基数，现在支持光纤干线的数量变为8芯、16芯、32芯。
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alt="链路速率"
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.12 光纤链路速率和通道速率的发展</figcaption>
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</figure>
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alt="Base12和Base8结构示意图"
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/>
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.13 Base12和Base8结构示意图</figcaption>
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</figure>
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Base8可以为40GBase-SR4和100GBase-SR4提供更多的灵活性。如果网速想要迅速从40Gb/s提高到100Gb/s，这是非常平顺的升级实施方案。
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Base8技术以8芯为基数进行优化，是为了适用于QSFP+/QSFP28收发器，因为该收发器也使用了8芯光纤。这样，光纤利用率是100%（相对于Base12）。
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由此，数据中心的MPO组网可以是端到端MPO组网，如图3.14所示；也可以是端到端LC跳线组网，但主干采用MPO组网，如图3.15所示。
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alt="MPE连接图"
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/>
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.14 端到端MPO组网</figcaption>
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</figure>
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}}
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alt="MPO连接图2"
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/>
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.15 端到端MPO主干加LC跳线组网</figcaption>
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</figure>
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### **光纤等级分类**
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**（1）多模光纤**
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多模光纤目前分为5个等级。
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① OM1：波长为850nm或1300nm、芯径为62.5mm的多模光纤。850nm的满注入带宽大于200MHz·km，1300nm的满注入带宽大于500MHz·km。
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② OM2：波长为850nm或1300nm、芯径为50mm或62.5mm的多模光纤。满注入带宽大于500MHz·km。
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③ OM3：波长为850nm或1300mm、芯径为50mm的多模光纤。高效激光注入带宽可达2000MHz·km。
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④ OM4：波长为850nm或1300mm、芯径为50mm的多模光纤。高效激光注入带宽可达4700MHz·km。
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⑤ OM5：波长为850nm或1300mm、并将850nm的带宽性能拓宽到953nm，可支持4波长，支持短波分复用（SWDM），为传输40G和100G及以上而开发的新技术之一。2016年6月，新的宽带多模光纤标准ANSI/TIA 492AAAE被批准。2016年10月，OM5光纤被宣布为ISO/IEC 11801标准中包含WBMMF（宽带多模光纤）布线的正式名称。
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为了便于区分，不同光纤跳线一般采用不同的外护套颜色，如图3.16所示，可以快速分辨光纤是否匹配。
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<figure style={{ textAlign: 'center' }}>
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}}
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alt="光纤跳线外护套颜色"
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/>
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<figcaption style={{ marginTop: '10px' }}>图3.16 光纤跳线外护套颜色</figcaption>
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</figure>
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**（2）单模光纤**
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单模光纤分为OS1和OS2两个等级，光纤跳线外护套颜色为黄色，如图3.16所示。而ISO/IEC 11801-1:2016标准中对于紧密缓冲型SMF产品，已由OS1改为OS1a。
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不同于双绞线不同等级材料存在明显差异，光纤的差异主要在结构上。OS1单模光纤通常采用紧套管结构，专为室内应用而设计，OS2单模光纤通常采用松套管结构，更适合户外应用。因此OS1单模光纤和OS2单模光纤可以通过熔接接续在一起，而没有接续匹配性影响（双绞线不同类别的线缆端接在一起会导致严重的性能变化）。但要确保的是，如果使用WDM，它们都需要具有相同的低水峰特性，但趋势上OS2是今后的主流。
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两个等级光纤主要差别如下。
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① 损耗系数：OS1单模光纤的最大损耗系数为1.0dB/km；OS2单模光纤的最大损耗系数为0.4dB/km。
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② 传输距离：OS1单模光纤的最大传输距离为10km；OS2单模光纤的最大传输距离则可以达到200km。
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③ 支持速率：OS1和OS2单模光纤都可以在不同的传输距离下实现1G/10G以太网所需的速率；OS2单模光纤还可用于40G/100G以太网的传输。
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单模光纤一般使用1310nm和1550nm两个窗口，其传输带宽远高于任何多模光纤。
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随着光纤制作技术的提高，单模光纤的可用波段已经发展到1296～1625nm的全波段。一般称为全波光纤。
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### **光纤应用**
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常见的1G光纤应用标准有1000Base-SX、1000Base-LX和1000Base-ZX，10G光纤应用标准有10GBase-SR、10GBase-LR等。
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数据中心一般骨干采用10G以上的光纤，相应的应用标准见表3.4。
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表3.4 数据中心光纤的应用标准
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| PHY/PMD名称 | 使用的技术 | 距离/m | 最大通道损耗/dB |
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|---------------|---------------------------------------|---------------------|-----------------|
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| 25GBase-LR | 25G串行，1310nm，1对单模光纤 | 10000 | 6 |
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| 25GBase-ER | 25G串行，1310nm，1对单模光纤 | 40000 | 15/18 |
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| 50GBase-SR | 50G串行，850nm，1对多模光纤 | 70/100/100(OM3/4/5) | 1.8/1.9/1.9 |
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||||
| 50GBase-FR | 50G串行，1310nm，1对单模光纤 | 2000 | 4 |
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||||
| 50GBase-LR | 50G串行，1310nm，1对单模光纤 | 10000 | 6.3 |
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||||
| 100GBase-SR2 | 50G/通道，850nm并行，2对多模光纤 | 70/100/100(OM3/4/5) | 1.8/1.9/1.9 |
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||||
| 100GBase-DR | 100G串行，1310nm，1对单模光纤 | 500 | 3 |
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||||
| 200GBase-SR4 | 50G/通道，850nm并行，4对多模光纤 | 70/100/100(OM3/4/5) | 1.8/1.9/1.9 |
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||||
| 200GBase-DR4 | 50G/通道，1310nm并行，4对单模光纤 | 500 | 3 |
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| 200GBase-FR4 | 50G/通道，1310nm 4λ CWDM，1对单模光纤 | 2000 | 4 |
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| 200GBase-LR4 | 50G/通道，1310nm 4λ LWDM，1对单模光纤 | 10000 | 6.3 |
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||||
| 400GBase-SR16 | 25G/通道，850nm并行，16对多模光纤 | 70/100/100(OM3/4/5) | 1.8/1.9/1.9 |
|
||||
| 400GBase-DR4 | 100G/通道，1310nm并行，4对单模光纤 | 500 | 3 |
|
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| 400GBase-FR8 | 50G/通道，1310nm 8λ LWDM，1对单模光纤 | 2000 | 4 |
|
||||
| 400GBase-LR8 | 50G/通道，1310nm 8λ LWDM，1对单模光纤 | 10000 | 6.3 |
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