光纖鏈路的功率裕量

  一段典型的光纖鏈路由發(fā)送端光模塊、接收端光模塊、光纖跳線(xiàn)、合分波設備或配線(xiàn)架、光纖線(xiàn)路等組成。要保證通信鏈路能夠正常工作，最基本的要求是發(fā)送端發(fā)出的信號到達接收端時(shí)的功率和信號質(zhì)量能夠滿(mǎn)足特定誤碼率下接收端的靈敏度和信號質(zhì)量要求，同時(shí)還有一定的裕量。

  但實(shí)際上的計算要考慮的因素非常多，典型單模光纖光路余量的計算需要滿(mǎn)足以下基本條件的要求：

  (發(fā)送端功率 – 接收端靈敏度)

  - (合分波或配線(xiàn)架插入損耗 + 光纖線(xiàn)路損耗 + 光纖接頭損耗)

  - (發(fā)送端色散代價(jià) + 光纖線(xiàn)路色散)

  - 維護余量

  > 0dB

  下圖是一個(gè)典型的單模光纖傳輸鏈路，我們將以這個(gè)鏈路為例來(lái)分析一下光路余量計算需要考慮的因素。

  發(fā)送端光功率：指從發(fā)送端光模塊直接輸出的功率，是發(fā)射端輸出信號強度的最直接參數，和光模塊的激光器類(lèi)型、溫度特性、調制方式、信號調制速率及格式、內部光路耦合方式等都有關(guān)系，一般在-0dbm到5dbm左右。由于光功率僅是個(gè)輸出功率的平均值，并不真正反映光信號的變化幅度，所以在一些新的光通信標準里(比如IEEE關(guān)于25Gbps或以上速率的光接口標準中)，會(huì )更多使用OMA(Optical Modulation Amplitude，光調制幅度)這個(gè)參數衡量發(fā)送端功率特性。

  接收端靈敏度：指接收端光模塊在特定誤碼率下能夠支持的最小功率，和接收端使用的探測器類(lèi)型、光路耦合方式、信號調制速率及格式、接收端CDR和均衡能力等都有關(guān)系。一般使用PIN探測器在NRZ信號情況下靈敏度可以到-10dbm以下，使用APD探測器時(shí)可以到-20dbm以下。同樣的探測器設計，在PAM-4信號情況下靈敏度會(huì )減少約10db左右。在一些新的光通信標準里(比如IEEE關(guān)于25Gbps或以上速率的光接口標準中)，為了更真實(shí)反映接收端能力，更多使用OMA靈敏度或帶壓力情況下的OMA靈敏度(即光壓力眼)參數衡量接收端特性。

  合分波或配線(xiàn)架插入損耗：對于采用波分復用的通信系統，在通信鏈路上可能會(huì )使用合波設備把多個(gè)波長(cháng)合路到一個(gè)光纖上，在接收端再通過(guò)分波設備把各個(gè)波長(cháng)分配提取出來(lái)，甚至中間鏈路上可能還會(huì )有專(zhuān)門(mén)的WSS(波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān))控制各個(gè)波長(cháng)信號的路由和切換。另外，在很多機房中還會(huì )使用光纖配線(xiàn)架實(shí)現終端設備和干線(xiàn)光纜的跳接。合分波設備和配線(xiàn)架都會(huì )造成光信號的功率損耗，具體的損耗和使用的設備類(lèi)型及實(shí)現原理有關(guān)。

  光纖線(xiàn)路損耗：主要指長(cháng)距離傳輸時(shí)光纖線(xiàn)路的損耗，和傳輸波長(cháng)、光纖類(lèi)型等有關(guān)，典型單模光纖的傳輸損耗在0.3到0.5dB/km 左右。機房?jì)鹊墓饫w跳線(xiàn)也會(huì )造成損耗，不過(guò)由于跳線(xiàn)的長(cháng)度一般較短，主要考慮其接頭造成的損耗。

  光纖接頭損耗：典型的遠距離傳輸的光纖鏈路上可能會(huì )有4個(gè)到10個(gè)，甚至更多的轉接、跳線(xiàn)或熔接點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)都會(huì )造成功率的損失，具體的損耗和接頭連接方式、接頭質(zhì)量等有關(guān)系。通常熔接的損耗較小(一般好的熔接點(diǎn)損耗可以在0.1dB以下)，而跳線(xiàn)連接的損耗較大(一般每個(gè)節點(diǎn)約0.3~0.6dB)。

  發(fā)送端色散代價(jià)：指由于發(fā)射機信號失真帶來(lái)的額外功率代價(jià)。實(shí)際的光發(fā)射機發(fā)出的信號都會(huì )有一些噪聲、抖動(dòng)以及信號的變形，這都會(huì )額外造成接收端接收能力的下降。針對NRZ信號的TDP(Transmitter and dispersion penalty，發(fā)射機色散代價(jià))指標和針對PAM-4信號的TDECQ(Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM-4，PAM-4信號發(fā)射機色散眼圖閉合度)指標，就都是用來(lái)衡量發(fā)射機失真帶來(lái)的等效功率損失的。在有些新的標準中，會(huì )直接把色散代價(jià)和發(fā)射機調制幅度一起考慮，比如IEEE關(guān)于25G以太網(wǎng)的802.3cc標準中，除了對于OMA和TDP指標有各自的定義，還定義了對于(OMA - TDP)的指標要求。

  光纖線(xiàn)路色散：指光纖長(cháng)距離傳輸時(shí)由于色散造成的信號失真，和通信波長(cháng)、通信速率、激光器線(xiàn)寬、光纖長(cháng)度、光纖類(lèi)型等都有關(guān)系。比如對于典型G.652光纖來(lái)說(shuō)，其在1310nm附近的色散接近為0，偏離這個(gè)波長(cháng)越遠、傳輸距離越長(cháng)、調制速率越高、激光器線(xiàn)寬越寬，由于色散造成的影響越大。典型G.652光纖在1550nm處的色散約為18ps/nm*km。色散會(huì )造成傳輸質(zhì)量的下降，從而影響接收端的靈敏度，因此色散造成的影響也可以用功率代價(jià)來(lái)等效衡量。

  維護余量：在實(shí)際的光纖鏈路上，光纖的接口多次插拔性能會(huì )有下降，光纖端面有可能污染，光纖本身也可能彎曲變形，而且光纖如果斷了還需要重新熔接，有些5G前傳的標準中還對光信號做調頂用于傳輸OAM信息，這些都會(huì )造成額外的功率損耗。為了保證系統的可靠工作，在鏈路設計時(shí)應該留有一定的維護余量，一般在2到4dB左右。

  綜上可見(jiàn)，光纖鏈路的設計和余量計算時(shí)一個(gè)系統工程，對于單模光纖的鏈路余量計算會(huì )涉及波長(cháng)選擇、光纖類(lèi)型、鏈路拓撲、激光器、調制方式、調制速率、調制格式、信號質(zhì)量、探測器、信號均衡、維護余量等方方面面的因素，需要綜合考慮和進(jìn)行折衷。對于多模光纖來(lái)說(shuō)，制約其傳輸距離的主要是有效模式帶寬，這點(diǎn)和單模光纖的線(xiàn)路損耗及色度色散不太一樣，我們不再做展開(kāi)介紹。

  文章來(lái)源：微信公眾號“測量的知識”