VIAVI 应用白皮书

简介

空芯光纤（HCF）是一种特殊类型的光纤，其设计旨在通过充有空气的中心纤芯来传导光线，这与使用实心玻璃纤芯的传统单模光纤（SMF）不同。

这种空气传导结构显著减少了光与纤维材料之间的相互作用，从而带来了多项性能优势。

HCF的主要优势包括：

• 更低延迟：HCF以接近真空光速的速度传输光，因此延迟约为3.33μs/km，而SMF的延迟为4.9μs/km
• 色散降低（CD）：HCF的色散值通常约为<5 ps/nm/km，而SMF的色散值约为17 ps/nm/km
• 等效偏振模色散（PMD）：与单模光纤（SMF）的0.1 ps/√km相比，空芯光纤（HCF）可实现低于0.1 ps/√km的等效偏振模色散值
• 非线性效应降低：由于光与材料的相互作用极小，HCF表现出可忽略的非线性特性
• 特定波长下的衰减更低：最新技术已将衰减降至0.07 dB/km，优于典型单模光纤（SMF）的约0.2 dB/km的数值
• 高损伤阈值：空心设计使HCF能够处理更高的光功率而不会产生热损伤

然而，HCF也带来了一定的挑战。其制造过程复杂，需要先进的技术，这导致了更高的成本。一些设计可能带宽有限，且纤维本身在机械性能上可能比标准玻璃纤维更脆弱。

空芯光纤（HCF）安装认证中的挑战

部署空芯光纤（HCF）会带来一系列独特的挑战，这些挑战与传统单模光纤（SMF）安装存在显著差异。为了正确的认证光纤，需要调整工具和流程，以考虑空芯光纤独特的物理和光学特性。

1.衰减分布特性（AP）

衰减分布特性测试有助于识别非理想的传输特性，例如由水蒸气引起的吸收区域，这些因素会影响系统的可靠性和效率。在制造过程中，气体的存在可能会产生脱气过程，从而在某些波长处产生吸收。现场试验表明，一些客户要求提供这些数据来评估链路质量并验证性能声明。在此背景下，衰减特性分析不仅仅是一种技术形式，而是建立对HCF部署信心的必要步骤，也是支持在实际应用中做出明智决策的必要步骤。

与传统石英光纤具有固定且一致的光谱衰减特性不同，空芯光纤（HCF）仍处于工业发展的早期阶段。不同供应商在设计、制造工艺和材料上的差异可能导致衰减行为存在显著差异。因此，安装后对衰减特性的测试变得至关重要，验证链路实际传输容量，确认制造商规格，并确保与系统要求的兼容性。在波长特定性能至关重要的应用中，这一点尤为重要。

2. 色散和偏振模色散（CD/PMD）

空芯光纤（HCF）的设计旨在实现更长的传输距离和更高的传输速度，因此色散可能会对未来传输速率的升级产生影响，了解真实基线非常重要。尽管与单模光纤（SMF）相比，HCF的色散效应要低得多，但随着新的HCF制造工艺的建立，仍存在不一致的风险，因此验证色散（CD）和偏振模色散（PMD）参数可确保在将所有HCF段熔接在一起后不会发生任何意外情况。

3.单模光纤到空芯光纤连接器损耗

从单模光纤（SMF）耦合到空芯光纤（HCF）会因模场和纤芯几何形状不匹配而导致耦合效率低下。适配器损耗的范围可能在0.2至3dB之间，具体取决于对准精度和连接器质量。在调试链路时，必须仔细测量这些损耗。如果过渡不当，从玻璃到空气的过渡也会产生高达-15dB的高反射，这对光时域反射计（OTDR）来说将是一个挑战，它会在轨迹上产生拖尾，并可能掩盖靠近首次连接的一些事件。重要的是要控制好第一个适配器，并确保反射尽可能低：优于-50dB。

4.弯曲敏感度

由于其复杂的微观结构设计和空心几何形状，空芯光纤（HCF）对弯曲的敏感度是SMF（单模光纤）的10倍。虽然SMF可以承受低至7.5毫米的弯曲半径，但HCF通常需要最小几厘米的弯曲半径，以避免过度衰减或结构损坏。这使得HCF不太适合紧凑的布线环境，除非专门设计以提高弯曲容忍度。安装人员必须确保正确的布线和应力释放，以保持性能。

5.瑞利背向散射（RBS）

空芯光纤（HCF）的瑞利背向散射（RBS）电平比单模光纤（SMF）低约14至20dB。这极大地影响了光时域反射计（OTDR）的轨迹可见性，使得在标准OTDR设置下更难检测事件和测量距离。

6.可变背向散射系数

与背向散射相对均匀的单模光纤（SMF）不同，由于微观结构的变化，空芯光纤（HCF）沿光纤长度的背向散射可能不均匀。这使得光时域反射计（OTDR）的轨迹解释变得复杂，并且需要与单模光纤不同的测试设置（K因子）。可变背向散射系数还意味着，双向OTDR测试和分析是唯一适合表征光纤和接头损耗的方法。

7.空芯光纤到空芯光纤熔接损耗

空芯光纤到空芯光纤段之间的熔接操作更为复杂，根据光纤对准情况和清洁度，熔接损耗可能达到0.1至1.5dB。此外，与单模光纤（SMF）到SMF之间的熔接相比，HCF到HCF的熔接会产生高反射，从而形成盲区。在现场，熔接点可能相隔2至4公里，因此，在短脉冲宽度下具有高动态范围的光时域反射计（OTDR）至关重要，这样就能测量每个熔接点，而不是拼接合并的结果。

8.非标准OTDR轨迹

与单模光纤（SMF）相比，空芯光纤（HCF）会有不同的OTDR特征。较低的背向散射（-14至-20dB）和独特的模场特征会导致不同的痕迹：反射连接点和连接点周围环境空气成分的渗透。用于测试单模光纤的标准OTDR设置可能无法检测到关键特征，因此需要不同的测试参数，如脉冲宽度和平均时间。

9.OTDR测试波长

目前，大多数空芯光纤（HCF）都针对S波段（约从1450纳米开始）及以上的操作进行了优化，因此，在1310纳米下进行OTDR测试（通常用于标准单模光纤）将无法得出相关或有用的结果，因此需要在1550纳米下进行测试。与使用标准单模光纤测试时一样，使用额外的波长可以更好地表征光纤和接头损耗，并检测弯曲情况。因此，目前空芯光纤在进行现场验收测试时，需要在1550纳米和1625纳米下进行测量。

10.后处理分析

由于独特的轨迹特性（瑞利背向散射（RBS）沿光纤变化），需要进行双向分析，但标准的双向光时域反射计（OTDR）后处理分析算法并不适用。通常需要定制软件或人工说明来创建损耗分布图、评估连接质量、连接器损耗和光纤完整性。必须匹配每个方向上的每个点/事件，对齐两条轨迹并进行双向分析，（AB-BA）/2，以获得实际的损耗分布图。

通过双向分析获得的损耗分布轨迹，将能够测量每个空芯光纤（HCF）区段的衰减以及链路上每个事件的损耗。

11.无标准流程（MOP）

空芯光纤（HCF）部署缺乏标准化的MOP（标准流程），导致每次安装都成为定制流程。这增加了不一致的风险，并需要详细的规划、文档记录和验证协议。

12.有限的技术经验

大多数光纤技术人员接受的是单模光纤（SMF）系统的培训，可能对空芯光纤（HCF）的特定处理、测试和故障排除不熟悉。培训计划和制造商支持对于确保成功部署至关重要。

选择正确的OTDR测试设备

为了应对变化的背向散射系数，有必要选择具有最高动态范围且脉冲宽度最低的光时域反射计（OTDR）。所有OTDR均以最大脉冲宽度（20微秒，3分钟平均时间）进行指定。在标准单模光纤中，20微秒的脉冲将产生至少2公里的拖尾（无反射，无熔接）。在空芯光纤（HCF））中，由于相同脉冲宽度的折射率接近1，因此光传播速度将加快1.46倍，因此光拖尾接近3公里。例如（请参考下表），一条40公里的HCF，损耗为0.1dB/km，意味着光纤损耗为4dB。4个接头，每个损耗0.2dB，增加了0.8dB的损耗。第一个和最后一个连接器，每个损耗0.3dB，总共增加了0.6dB，总损耗为5.4dB。为了进行精确测量并可靠检测事件，需要在噪声之上留出5至7dB的可用动态范围。接下来，考虑到前面提到的瑞利背向散射RBS存在14至20dB的差异，该范围现在变为24.4至32.4dB，并且已接近使用此脉冲宽度所能达到的极限。这意味着在短脉冲宽度下，需要24.4至32.4dB的动态范围来准确表征所有事件。

“准确”意味着线性衰减，无拖尾且盲区最短。如果光时域反射计（OTDR）的动态范围不足，则需使用更长的脉冲宽度，这意味着盲区会更长。如果链路较长且损耗较大，则可能需要使用最大动态范围，这可能导致接头合并在一起，从而无法进行正确的特性分析。

此外，从单模光纤（SMF）到空芯光纤（HCF）的适配器对光时域反射计（OTDR）的硬件和光电二极管的响应（瑞利背向散射（RBS）从14 dB下降到20 dB）提出了很高的挑战。适配器之后，OTDR应迅速恢复，且拖尾最小，否则一些事件可能会在拖尾中丢失（被合并到拖尾中）。

这就是为什么在空芯光纤（HCF）测量中，我们推荐使用动态范围至少为45 dB的OTDR，例如VIAVI 4100系列C模块。更优的选择是使用动态范围更高的OTDR，如8100系列D模块的50 dB动态范围，因为在较低脉冲宽度下使用动态范围更高的OTDR将产生更佳的测量结果。

OTDR测试流程

与单模光纤（SMF）一样，首先检查所有连接器（OTDR端口和光纤接口上的连接器）至关重要。这始终是任何网络拓扑中故障的首要原因。

在OTDR设置中，首先确保将折射率（IOR）设置为1，并将背向散射系数设置为光纤制造商指定的值。

始终使用相同类型（尽可能同一批次）的发射光纤和接收光纤。接收光纤和发射光纤的长度始终取决于被测光纤的长度，在大多数情况下，500米应足够，如有疑问，可使用1公里或更长。使用相同类型的发射/接收光纤可确保相同的背向散射水平，从而非常准确地测量端到端的损耗。即使中间存在空芯光纤（HCF），端到端的HCF损耗也会准确，因为参考点处于相同的背向散射水平。差异在于被测光纤的损耗，就像光功率计和光源测量一样。

将待测HCF连接到发射光纤和接收光纤，并验证OTDR的脉冲宽度和采集时间是否已配置并能提供准确结果。首次测量是在MoP（标准流程）中没有具体要求的情况下，正确设置并微调测试参数。找到正确的配置后，必须在两个方向（A到B和B到A）的所有测量中一致使用。确保以适当的方式命名测试结果文件，以确保它们易于识别，并且对于同一光纤的两个方向能够匹配（配对）。

一旦两项采集完成，检查每条OTDR（光时域反射计）轨迹，以验证端到端的损耗是否在可接受的范围内，并且两个方向的损耗大致相同，使用发射和接收光纤作为参考点。如果端到端的损耗存在显著差异，这可能表明被测光纤或测试设置存在问题。

后处理和分析

在HCF（从SMF到HCF的转变）开始时，通常会观察到反射峰，随后背向散射下降14至20dB，这标志着HCF的开始。同样，在HCF结束时（从HCF到SMF的转变），背向散射恢复到较高水平（14至20dB），反射峰则表明所测试的HCF结束。

事件对齐对于准确分析至关重要。每个使用的波长都会产生两条轨迹，每条轨迹对应一个方向（A到B和B到A）。首先，将B到A的轨迹反转。使用HCF的起点和终点来对齐轨迹。如果HCF内没有熔接点，则此方法是对齐轨迹的唯一方法。如果有熔接点，则使用每个熔接点来细化对齐。

要生成损耗分布图，请使用以下公式计算每个点处对齐的迹线之间的差值：(Trace_AB – Trace_BA) / 2。此计算将生成一条新迹线，表示HCF链路的损耗分布。对于每个熔接点，使用标记确定熔接前后的斜率。然后，以y = mx + b的形式计算每个段的损耗。在熔接点x处评估两个段的y值。这些值之间的差值表示熔接损耗。对光纤中的所有熔接点重复此过程。

生成损耗分布图通常是在测试测量完成后，技术人员离开安装现场后进行的后期处理活动。这可能是一个非常繁琐、耗时且费力的过程。因此，最好在技术团队还在现场时就能获得结果，这样任何问题都可以在无需额外现场访问的情况下得到解决。在这种情况下，上述的后期手动处理方法并不实用。

为了解决这一问题，VIAVI在命名为“ReportPRO”的后处理软件中增加了HCF损耗特性生成功能。只需选择A到B和B到A的轨迹，损耗特性就会自动生成。这大大减少了处理时间和非现场结果分析的时间，这意味着如果存在任何问题，技术人员在现场就能解决，从而改进了工作流程并提高了效率。

衰减分布（AP）

有多种方法可供选择，但用户应选择一种能覆盖整个光谱范围（从1250到1640纳米）的解决方案，这样不仅能验证光纤在传输波段中的性能，还能提供水吸收窗口中的损耗特性。

色散测试（CD/PMD）

除了上述光时域反射计（OTDR）测试外，色散（CD）和偏振模色散（PMD）参数也是关键属性，它们将提供已安装链路的完整情况（表征）。然而，基于OTDR测试的色散测量将受到相同的14-20 dB的瑞利背向散射（RBS）下降的影响，以及动态范围和脉冲宽度设置之间的相同制衡。因此，这将大大限制可评估的光纤长度，使其最多只适用于短链路。

利用基于光源和接收器的色散测试方法，如VIAVI OBS-500光学宽带光源和光学色散测量（ODM）模块，可以克服RBS下降的问题，并能够在更长距离上进行更精确的测试，因为它不像基于OTDR的单端方法那样依赖于测试单元的动态范围和在线反射率。存在的多种方法，如用于色散测量的相移法或用于偏振模色散PMD的固定分析法，它们将提供具有显著动态范围裕度的精确读数。

后期部署

其意图在于，空芯光纤（HCF）的传输流量将远超单模光纤（SMF），因此，了解HCF是否发生退化、损坏或意外切断显得尤为重要。为了维持服务，最好使用光纤监测系统，如VIAVI ONMSi光网络管理系统，来实现这一目标。此外，还可以通过基于分布式声学传感（DAS）技术的系统进行监测，从而保护光纤电缆免受外部威胁。

结论

空芯光纤（HCF）的成本远高于标准单模光纤（SMF），且在成本和部署复杂性方面需要大量投资，因此，确保获得最大的投资回报率（ROI）尤为重要。因此，为了确认HCF是否安装正确，应确保其全部特性（OTDR、CD、PMD、AP），以避免初始或未来性能的任何妥协。与部署任何新技术一样，重要的是要确保其性能符合预期，以实现运营和业务效益。