詳解光纖鏈路故障原因
近兩年，隨著光纖成本下降，以及1000Base和10G以太網的廣泛應用和升級，光纖通信已經逐漸成為局域網布線、以及FTTx網絡建設的重要組成部分。由于光纖對于電磁干擾免疫的特性，使得我們可以不用再特別考慮類似電源箱、UPS等電磁輻射設備的位置設計，從而大大提高綜合布線的靈活性和效率。然而也正因如此，往往下意識地認為光纖布線非常簡單安全，而忽視了光纖鏈路故障可能引發的重大網絡問題。
需要指出的是，為了保證光信號遠距離、低損耗的傳輸，整條光纖鏈路必須滿足非常苛刻且敏感的物理條件。任何細微的幾何形變或者輕微污染都會造成信號的巨大衰減，甚至中斷通信。在實際工作中，引起光纜鏈路故障的主要原因有：光纜過長、彎曲過渡、光纖受壓或斷裂、熔接不良、核心直徑不匹配、模式混用、填充物直徑不匹配、接頭污染、接頭拋光不良、接頭接觸不良。
1.光纜過長
由于光纖本身的缺陷和摻雜組分的非均勻性，使得其中傳播的光信號時時刻刻都在發生著散射和被吸收。隨著制造原料和制造工藝的改進，如今的光纖已經將1970年每公里20dB的衰減減小到每公里1dB。同時，ISO 11801、ANSI/TIA/EIA 568B等標準化組織也對光纖鏈路單位距離衰減作了明文規定。
然而即便如此，光纖本身的衰減依然存在。所以當光纖鏈路過長，就會造成整條鏈路的整體衰減超過了網絡設計的門限，導致通信質量的下降。在實際工作中，由于光鏈存在眾多盤線，所以光鏈路的長度往往大于實際通信節點的物理距離，稍不小心就會造成光鏈路過長。所以，在布線設計時要明確各段線路的長度設計，預防光纜過長。同時在布線施工完成后，通過儀表測量光鏈路的實際長度，如圖1所示(Flukenetworks公司的OptifiberTM能夠測量每段接線的長度，以方便在必要處修正鏈路)，以保證施工與設計的一致性。
圖 1 OptifiberTM光纖長度和連接圖
2.彎曲過度
光纜彎曲損耗和受壓損耗其本質都是由于光不滿足全內反射的條件而造成的。
光纖具有一定的易彎曲性，盡管可以彎曲，但當光纖彎曲到一定程度時，將引起光的傳播途徑的改變，使一部分光能滲透到包層中或穿過包層成為輻射模向外泄漏損失掉，產生彎曲損耗。當光在彎曲部分中傳輸時，越靠近光纖外側傳輸速度就越大。當傳輸到某一位置時，其速度就會超過光速，傳導模變成輻射模產生損耗。當彎曲半徑過小時，由彎曲造成的損耗會變得非常明顯。所以，一般建議動態彎曲半徑不得小于光纜外徑的20倍，靜態彎曲半徑不得小于光纜外徑的15倍,
實際使用中，光纖中數據是沿直線傳播的，光纖保持不彎曲，數據就不會出現問題;如果彎一點，數據就開始溢出;如果把光纖緊緊纏繞成一個圈，就會徹底失去信號。所以，在布線施工時，要特別注意給走線預留充足的角度，例如沿著墻角、走廊、桌面稍微彎曲過渡，傳輸就可能失敗了。
另一方面，也可以利用彎曲將光纖中高次模過濾掉，從而提高光線衰減測量時的穩定性。圖2顯示了光信號在光纖中輻射模衰減的原理，以及經卷軸調制高次模的過程。
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3.光纜受壓或斷裂
光纖受到不均勻應力的作用，例如受到壓力或者套塑光纖受到溫度變化時，光纖軸產生微小不規則彎曲甚至斷裂，其結果是傳導模變換為輻射模而導致光能損耗。尤其，當斷裂發生在光纜內部時，從外表無法發現故障，但是在光纖斷裂處由于折射率發生突變，甚至會形成反射損耗，使光纖的信號質量相信就會大打折扣。此時，可以通過OTDR測試儀檢測發現光纖內部彎曲處或斷裂點。需要指出的是，在局域網布線中距離較短，所以對于OTDR測試儀的精度要求較高，一般建議使用事件死去(即分辨精度)不大于1m的測試儀器。
4.光纜熔接不良
在光纖布線中，經常會用到熔接技術將兩段光纖融合成一條。由于是對核心層的玻璃纖維進行熔接，所以在熔接過程中需要剝除被熔光纖的表皮和填充物，然后再熔接。在現場操作過程中，由于操作不當以及惡劣的施工環境，很容易造成玻璃纖維的污染，從而導致在熔接過程中混入雜質、密度變化、甚至產生氣泡如圖3所示，最終是整條鏈路的通信質量下降。
所以不論是熱熔或冷熔技術，為了保證熔接點衰減能夠達到TIA和ISO共同規定的0.3dB對于被熔光纖、以及操作流程都嚴格的要求和規定。例如需要保證熔接機電極的清潔，需要在熔接前保證玻璃纖維的干凈，需要保證現場施工環境溫度和濕度等。當遇到光纖熔接問題造成衰減，可以通過OptifiberTM精確判斷每個熔接點的位置和損耗。
5.核心直徑不匹配
活動連接也是光纖布線中經常使用的布線手段，例如法蘭連接。這種方法靈活、簡單、方便、可靠，多用在建筑物內的計算機網絡布線中。活動連接一般損耗在1dB左右，但是如果制作活動連接時光纖端面不清潔，接合不緊密，核心直徑不匹配的話(如圖4所示)，接頭損耗就會大大增加。其中核心直徑不匹配不僅指單模多模光纖混用，還包括62.5和50線徑的多模光纖混用。
無論是模式混用或是線徑混用，可以想象光線從小直徑向大直徑入射與光線從大直徑向小直徑入射產生的光路和衰減會有很大區別。所以此時對同一根光纖在不同方向上的衰減測試結果會有很大差別，有時甚至會發生“負衰減”現象(如圖5所示)。通過雙端功率測試或OTDR測試(如圖6所示)，可以比較方便地發現核心直徑不匹配問題。
圖 6 62.5和50微米線徑混用OTDR曲線
值得一提的是，單模光纖和多模光纖除了核心直徑不同，由于它們傳輸的光模式、優勢波長和衰減機理也完全不同，絕對不可以混用。#p#
6.填充物直徑不匹配
與核心直徑不匹配的原因類似，光纜接續過程中，光纖填充物直徑也會發生不匹配。填充物不匹配主要會引起光纖接續錯位，從而產生光信號泄露，發生衰減。
7.接頭污染
光纖接頭污染、尾纖受潮是造成光纜通訊故障的最主要的原因之一。Martin Technical Research公司獨立調研發現80%的用戶和98%供應商經歷過光纖端接面不潔造成的故障，另有72%的用戶和88%的供應商經歷過拋光不良造成問題。這個指標遠遠高于其他原因引起的光纖故障(如表1所示)。
表 1
尤其在局域網中存在著大量的短跳線，和眾多的交換設備，光纖的插拔、更換、轉接非常頻繁。在這樣的操作過程中，灰塵的掉落，手指的觸碰，插拔的損耗等都很容易污染光纖接頭。而這些污染都會對光的傳輸造成影響。通過光纖顯微鏡(如Flukenetworks公司的FiberInspector)我們可以在線清晰地看到幾十納米光纖端面的實際情況，從而對受污的端面進行清潔。#p#
8.接頭處拋光不良
除了接頭污染，街頭拋光不良也是光線鏈路的主要故障之一。在理想光鏈路中，光接頭的端面都是平整貼合的。當光信號通過端面時，少量光產生反射，大多數光穿過端面繼續傳播。然而，現實中理想的光接頭時不存在，它們或多或少都存在一定的凸起、凹陷、或者傾斜(如圖7所示)。
這些瑕疵肉眼無法發現，但是當鏈路中的光信號遇到此類接頭時，由于接合面不規則光線產生的反射比理想狀態要大得多，同時會還產生漫射和散射，造成光信號的衰減。在OTDR的曲線上表現為，拋光不良的端面的衰減死區遠大于正常端面。
9.接頭處接觸不良
接頭接觸不良主要發生在光路終結處，例如光配線箱和光交換機。可能由于操作人員疏忽，或者設備質量問題，又或接頭老化等，導致光纖接頭不緊密，造成光信號的反射損耗和泄露衰減。此外，接頭安裝精度公差超標，也會引起光接頭的松動，造成整條光鏈路性能參數的漂移。
綜上所述，光纖布線系統雖然對于電磁干擾完全免疫，但是由于其本身的物理特性是的光纖通信系統同樣存在許多故障隱患：如光纜過長、彎曲過渡、光纖受壓或斷裂、熔接不良、核心直徑不匹配、模式混用、填充物直徑不匹配、接頭污染、接頭拋光不良、接頭接觸不良等。就其原理來講，光纖故障的本質是光全反射和透射條件受影響導致的。外力擠壓、過度彎曲會造成光纖的形變;熔接時混入的雜質、氣泡會造成光路密度的變化;線徑不匹配，端面的污染和拋光不良都會造成折射率突變。
這些物理性質變化所引起的光纖通信故障，與傳統電纜通信中的電氣故障相比，不論在成因、表現、和影響上都有其本質的不同。更為特殊的是，光纖通信的精密性使得光纖的故障難以通過肉眼發現。例如端面的污染、鏈路內部斷裂造成的故障，從外表來看都是無法發現的。這就要求我們在光纖布線時要特別注意，盡可能防止人為原因造成不必要的光纖故障。同時，在布線完工時，以及日常維護時，使用光纖維護儀器(如Flukenetworks公司的SimpliFiber光功率計，OptiFiber光時域反射計，FiberInspetor端面顯微鏡等)對光纜進行驗收和維護。這不僅能及時發現已有的光纖故障問題，同時也能在問題突發時快速定位解決問題，從而保障網絡運行的安全。
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