近年来，随着人工智能（AI）与云服务的广泛普及，光通信领域—例如海底光缆以及数据中心之间的互联链路—的传输容量持续增长。迄今为止被广泛使用的传统单模光纤（SMF）在单根光纤内仅含单一光传输通道（纤芯），因此在单纤传输容量方面面临物理极限。

作为突破这一限制的技术，属于空分复用（SDM）方式之一的多芯光纤（MCF）日益受到关注。多芯光纤通过在单根光纤内独立排布多个纤芯，有望实现相较单模光纤更高的传输容量。

然而，将多芯光纤部署到光网络中时，对直接影响光传输质量的「芯间串扰」的抑制成为一项关键挑战。因此，从设计、制造到网络建设运维的各个阶段，都需要可靠的芯间串扰测量方法。

本文将介绍多芯光纤的光传输特性的重要性与面临的挑战，同时阐述传统方法的局限性以及新兴的测量技术。

多芯光纤的光传输特性及其评估的重要性

将多芯光纤部署到光网络中时，芯间串扰—这一多芯光纤所特有的光传输特性—成为关键的评估参数。芯间串扰是指在一根纤芯中传播的光信号泄漏到相邻纤芯，从而导致相邻纤芯信号质量下降的现象。为抑制这种影响，必须在从设计、制造到网络运行的各个阶段，对芯间串扰进行定量且精确的评估。

 

除芯间串扰外，传输损耗与反射率也是评估多芯光纤的光传输特性的关键指标。这些特性不仅受光纤本身固有质量的影响，还会受到多种外部因素的作用，例如敷设过程中的弯曲与拉伸应力，以及连接器与熔接加工的精度等。因此，无论在制造环境还是现场应用中，都亟需建立能够快速、高精度评估这些特性的测量系统。

多芯光纤芯间串扰的评估方法及其挑战

作为测量多芯光纤的芯间串扰的代表性方法，常用的有「透射法」与「环回法」。本章将概述这两种方法，并分别给出典型示例。

什么是透射法？

透射法是一种多芯光纤芯间串扰（XT）的评估技术：通过在一端光纤注入光信号，并在另一端使用光功率计（OPM）测量输出光功率。该方法又被称作「功率计法」。在此测量中，串扰评估的流程与可达成的测量精度取决于所用光源的类型。本节将分别介绍使用可调谐激光源（TLS）与连续波（CW）光源时的方法。

• 透射法——使用TLS时

在使用 TLS 的透射法中，TLS 的输出波长在指定范围内以固定步长扫描，并使用光功率计测量每个波长处的光功率。多芯光纤的芯间串扰会因光纤的轻微弯曲及纤芯结构的微小不均匀所引起的相位变化而改变，因此芯间串扰在本质上是一个随机性的物理量。

传统上，需要通过施加物理扰动（如重新缠绕光纤或改变弯曲条件）来获得统计数据，但这种方式在测量重复性与操作效率两方面都存在挑战。

针对这一问题，参考文献[1] 利用光源波长扫描可改变纤芯间相位差这一特性，提出了对 TLS 波长进行扫描的方法。该方法无需重新缠绕光纤等操作，即可获得大量芯间串扰测量值。通过对这些测量值进行统计处理，研究证明可以获得稳定的芯间串扰值。

作为示例，下面给出评估从芯1 泄漏到芯 2 的串扰的步骤：

 1、在每个波长下，分别测量芯 1 的光功率 P1 与芯 2 的光功率 P2。

 2、在每个波长下计算 P2/P1，并将该值定义为对应波长处的芯间串扰。由于 P2/P1 表示向相邻纤芯的泄漏比，因此与芯间串扰的定义一致。

 3、对所有波长下获得的串扰值求算术平均，并将其作为多芯光纤的带内平均芯间串扰进行评估。

求平均的处理旨在平滑芯间串扰的测量波动（如图 2 (b) 所示），并获得实际传输带内的代表性芯间串扰值。

• 透射法——使用CW 光源

也可使用 CW 光源代替 TLS 来评估芯间串扰。当采用法布里-珀罗（FP）激光器、超辐射发光二极管（SLD）等 CW 光源时，将光注入一根纤芯，并在另一端使用光功率计同时测量另一根纤芯的输出光功率 P1 与 P2。此时，由 P2/P1 直接得到芯间串扰，无需进行波长扫描。

透射法应用广泛，且由于采用高灵敏度光功率计时可检测到极小的芯间串扰值，因此适合开发阶段的测量。然而，由于必须在多芯光纤的两端分别放置光源与光功率计，在长距离敷设场景下两端均难以到达，因此该方法不适合现场维护或远程测量。此外，当纤芯数量较多时，连接切换需要花费大量时间，会增加制造阶段的检测工作量。在这种情况下，应考虑采用其他测量方法。

什么是环回法？

环回法是一种通过使用OTDR 与一段哑光纤（Dummy SMF）来高灵敏度测量多芯光纤中芯间串扰的技术。该方法的一大特点是：除了使用传统OTDR测量每根纤芯的传输损耗与反射外，还可以检测芯间串扰分量。此外，由于芯间串扰作为透射光分量被观测，可获得极高的信噪比（SNR），灵敏度仅次于透射法。

测量设置由以下部件组成：

• OTDR 单元：将脉冲光 P₀ 注入被激励纤芯并在多芯光纤中传播。来自多芯光纤的返回光——主要是背向散射光——以时域波形方式采集。

• FIFO 器件：将 OTDR 的单光纤端口拆分与合并到多芯光纤的多根纤芯，从而将 OTDR 的脉冲光注入到指定纤芯，并从相应纤芯接收返回光的接口。

• 哑光纤：在多芯光纤的另一端，将被激励纤芯与待测纤芯分别连接到哑光纤的两端，形成脉冲光的环回传输路径。

  
  

在此配置下，当 OTDR 输出的脉冲光 P₀ 注入被激励纤芯（例如芯 1）时，多芯光纤内的纤芯间耦合会在相邻纤芯（例如芯 2）产生芯间串扰的脉冲光分量 Pxt。主脉冲分量与芯间串扰的脉冲分量到达多芯光纤端面后，会通过哑光纤继续传播。在哑光纤中，主脉冲沿「芯 1 →哑光纤→ 芯 2」的路径传播，而芯间串扰脉冲则以相反方向「芯 2 → 哑光纤 → 芯 1」传播。如此设计，使两路信号同时到达哑光纤的中点位置。在该中点处，单模光纤固有的背向散射光也会同时产生，因此背向散射分量与芯间串扰分量相互叠加并返回OTDR。在OTDR轨迹上，这一现象表现为在中点位置出现一个明显的芯间串扰峰值。

由于该方法将芯间串扰作为透射光分量进行观测，可获得较高的信号电平，即使在低芯间串扰区域也能实现高测量灵敏度。此外，由于使用了 OTDR，可以同时获得损耗分布、反射分布以及芯间串扰分布。

在多芯光纤的评估中，除纤芯间串扰外，还需测量每根纤芯的损耗分布和反射分布，从而对多芯光纤的整体传输特性进行评估。因此，需要一种能够在单次测量中获取这些信息的测量方法。

此外，与 OTDR 提供的损耗分布类似，理想情况下也应将芯间串扰作为沿光纤长度方向的串扰分布进行获取。这就要求测量方法能够在考虑多芯光纤中位置信息的同时评估纤芯间耦合。

应对上述挑战的多通道 OTDR 方法 

在上述芯间串扰测量方法中，存在两方面挑战：无法在考虑多芯光纤中位置信息的前提下评估纤芯间耦合，以及需要在多芯光纤的纤芯之间进行切换操作，导致测量工作量增加。为解决这些问题，由日本东北大学特聘教授中沢正隆领导的研究团队提出了多通道 OTDR 方法。在该方法中，多台 OTDR 单元通过共用时钟同步运行，从而能够同时采集多芯光纤各纤芯的背向散射光。这使得沿光纤纵向方向的模式耦合能够实现非破坏性测量。

多通道 OTDR 方法的原理

多通道 OTDR 方法通过同步运行多台 OTDR 单元，在共同的时间轴上采集多芯光纤各纤芯的背向散射光。由此可测量多芯光纤沿纵向方向的模式耦合，并可由所获得的模式耦合数据计算芯间串扰。

为获得芯间串扰，首先由一台OTDR 单元将脉冲光注入被激励纤芯（芯 1）。光在传播过程中，相邻纤芯之间会持续发生轻微耦合，导致光泄漏进入芯 2。结果在非激励纤芯（例如芯 2）中也产生了背向散射光。在多通道 OTDR 方法中，可同时采集来自被激励纤芯与非激励纤芯的背向散射光（如图 5 所示）。通过利用这两个背向散射信号的比值（模式耦合比），即可确定模式耦合随位置的强度分布。

通过比较所采集到的两个背向散射信号，可识别沿纵向方向的模式耦合变化。由于 OTDR 测量的是往返光，模式耦合比的观测变化表现为实际值的两倍。因此，在计算耦合大小时，需应用 3 dB 的修正，将结果换算为正确的串扰增量。

如此，多通道 OTDR 方法不仅能够实现沿距离轴的串扰分布测量——这是传统方法难以做到的——还能够同时测量多根纤芯，从而显著提高测量效率。

实现多通道 OTDR 方法的测试方案

作为实现多通道 OTDR 方法的测试方案，使用安立公司的多通道光纤测试仪 MT9100A，可以从单端高效评估多芯光纤的光传输特性，同时测量多根纤芯。MT9100A 可同时测量最多四根纤芯，并可视化损耗分布、反射分布以及纤芯间串扰分布等评估参数（沿距离即纵向方向）。这显著减少了传统方法所需的逐纤芯连接切换与复杂测量流程，从而降低多芯光纤评估的整体工作量。

测试配置与测量概要

在测量设置中，多芯光纤的每根纤芯通过 FIFO 器件连接到 MT9100A 各自的通道（端口），FIFO 器件可实现从多芯光纤到单模光纤的分路。由于采用 MT9100A 的测量仅需单端连接，因此无需在光纤远端放置测量仪器或操作人员。该配置不仅适用于研发，也非常适合生产线与现场应用。

测量步骤

1. 连接

首先，通过 FIFO 器件将被测多芯光纤的每根纤芯分别连接到 MT9100A 的相应通道（端口）。连接过程中，请确保光纤连接器类型（UPC/APC）正确，并彻底清洁光纤套圈端面。这有助于将连接损耗与纤芯间串扰的变化降至最低。

2. 测量条件设置

接下来，设置评估所需的测量条件，例如要测量的纤芯数（最多四根）、所使用的波长（1310/1550/1625 nm）以及平均时间（例如每个波长 30 秒）。

 

设置电平偏移和波长修正值可进一步提高测量精度（详见附录）。当需要在更接近标称值的波长下进行测量时，建议使用中心波长精度选件（1550/1625 nm 处 ±10 nm）。

3. 一键测量

准备工作完成后，即可开始测量。仪表内部会自动切换发射端口，并在共同的时间轴上采集来自各纤芯的背向散射信号。无需外部光开关或手动切换，即可同步评估所有纤芯。

4. 结果查看

从采集到的轨迹数据中，可沿距离轴可视化损耗、反射与串扰，从而对光传输特性进行综合评估。测量数据可自动或手动保存为 XTA 格式（波形数据）或 CSV 格式（数值数据）。数据可通过U 盘或网络传输到 PC，用于质量记录与可追溯管理。

5. 通过/不合格判定

可以预先设置通过/不合格的阈值。当测量值超出阈值时，仪表会自动显示 NG 判定，并自动检出异常段落与事件（如连接器与熔接点）。必要时，可利用分布轨迹定位芯间串扰增大的位置，并分析其根本原因。汇总界面可一目了然地查看芯间串扰与损耗分布。

通过引入MT9100A，可在涉及多芯光纤的研发、制造以及现场应用等多种场景下实现高精度、高效率的测量与分析。尤其是能够同时处理全部纤芯的能力，可显著降低重复工作量，直接提升评估吞吐量。

可视化纤芯间串扰分布的优势

多通道OTDR方法的核心特性之一，是能够将芯间串扰可视化为沿距离轴的分布。在透射法等传统方法中，串扰通常以整根光纤的平均值进行评估，难以识别串扰沿光纤增大的具体位置。

在多芯光纤中，串扰会因敷设过程中的弯曲半径、拉伸应力、固定方式以及连接器与熔接加工精度等因素而逐段变化。通过在共同的时间轴上采集各纤芯的背向散射信号，多通道 OTDR 方法能够以距离分辨率定位纤芯间串扰的产生与增大位置。

这一能力使得可以定量定义敷设要求，包括：

· 验证设计阶段假定的敷设条件是否合适

· 识别制造工艺或敷设作业造成的质量波动

· 明确满足允许串扰水平所需的弯曲条件与敷设规范

基于分布的测量为确保多芯光纤的可靠性提供了不可或缺的信息。

单端测量的便利性

在传统的多芯光纤评估方法中，需要在光纤两端安装光源与测量仪器，这在敷设后的现场环境中带来了显著的作业负担。这不仅需要在远端安排人员与运输设备，还会导致作业时间与调整工作量增加。

相比之下，多通道 OTDR方法能够通过单端（单端测量）评估全部纤芯。使用MT9100A时，无需在远端放置测量仪器或操作人员，可显著减少现场工作量。

该特性可在以下场景中实现快速、灵活的评估：

· 敷设后的现场验证与维护

· 难以保障电源供应的户外或地下环境

· 生产线上的抽样检查与全检

单端测量将多芯光纤评估从一项「专业任务」转变为常规验证活动，是一项重大优势。

测量时间与成本的大幅降低

由于多通道 OTDR 方法允许同时测量多根纤芯，相较传统方法可显著缩短测量时间。使用 MT9100A 时，启动测量后，仪表内部会自动切换发射端口，并依次采集各纤芯的背向散射信号。无需外部光开关或手动连接切换。

例如，该方法具有以下特点：

· 一键测量全部纤芯和全部波长

· 测量时间取决于「纤芯数 × 波长数」，与操作人员技能无关

· 通过自动保存数据避免人为遗漏

这些特性消除了对操作人员技能的依赖，使评估流程得以标准化。

由此该方法实现了：

·测量时间缩短

· 人力成本降低、操作失误减少

· 在研发、制造与现场等各阶段降低运营成本

多通道 OTDR 方法是一项兼顾效率提升与高精度评估的高度实用的测试方案，非常适合多芯光纤的实际部署。

结语

随着多芯光纤应用的持续扩大，提升传输特性评估的效率与精度对于支撑可靠的光网络构建至关重要。本文所介绍的多通道 OTDR 方法克服了传统测量方法的局限，实现了沿距离轴的纤芯间串扰分布测量，并支持从单端同时评估多根纤芯。安立公司给多通道光纤测试仪 MT9100A 可作为实际部署该方法的测试方案，在多芯光纤评估的各个阶段——从研发到制造再到现场——提供高精度、高效率的测量。

多通道光纤测试仪MT9100A

MT9100A是业界首款可评估多芯光纤光传输特性（包括光传输路径（纤芯）之间的纤芯间串扰）的OTDR。通过支持最多四根纤芯的同时测量，并将包括芯间串扰在内的光传输特性沿距离轴可视化，MT9100A能够精确定位多芯光纤中的故障位置。通过引入MT9100A，不仅在研发与制造过程中，在涉及多芯光纤的网络建设与运营的各个阶段，都可以进行高精度、高效率的测量与分析。对于工程师而言，它代表了一种理想的测试方案，能够借助创新技术显著提升工作质量与生产效率。