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、合分波設備或配線架、光纖線路等組成。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的功率和信號質量能夠滿足特定誤碼率下接收端的靈敏度和信號質量要求，同時還有一定的裕量。

  但實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)

  - (合分波或配線架插入損耗 + 光纖線路損耗 + 光纖接頭損耗)

  - (發(fā)送端色散代價 + 光纖線路色散)

  - 維護余量

  > 0dB

  下圖是一個典型的單模光纖傳輸鏈路，我們將以這個鏈路為例來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系，一般在-0dbm到5dbm左右。由于光功率僅是個輸出功率的平均值，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關于25Gbps或以上速率的光接口標準中)，會更多使用OMA(Optical Modulation Amplitude，光調制幅度)這個參數衡量發(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減少約10db左右。在一些新的光通信標準里(比如IEEE關于25Gbps或以上速率的光接口標準中)，為了更真實反映接收端能力，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。

  合分波或配線架插入損耗：對于采用波分復用的通信系統(tǒng)，在通信鏈路上可能會使用合波設備把多個波長合路到一個光纖上，在接收端再通過分波設備把各個波長分配提取出來，甚至中間鏈路上可能還會有專門的WSS(波長選擇開關)控制各個波長信號的路由和切換。另外，在很多機房中還會使用光纖配線架實現終端設備和干線光纜的跳接。合分波設備和配線架都會造成光信號的功率損耗，具體的損耗和使用的設備類型及實現原理有關。

  光纖線路損耗：主要指長距離傳輸時光纖線路的損耗，和傳輸波長、光纖類型等有關，典型單模光纖的傳輸損耗在0.3到0.5dB/km 左右。機房內的光纖跳線也會造成損耗，不過由于跳線的長度一般較短，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有4個到10個，甚至更多的轉接、跳線或熔接點，每個節(jié)點都會造成功率的損失，具體的損耗和接頭連接方式、接頭質量等有關系。通常熔接的損耗較小(一般好的熔接點損耗可以在0.1dB以下)，而跳線連接的損耗較大(一般每個節(jié)點約0.3~0.6dB)。

  發(fā)送端色散代價：指由于發(fā)射機信號失真帶來的額外功率代價。實際的光發(fā)射機發(fā)出的信號都會有一些噪聲、抖動以及信號的變形，這都會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)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，就都是用來衡量發(fā)射機失真帶來的等效功率損失的。在有些新的標準中，會直接把色散代價和發(fā)射機調制幅度一起考慮，比如IEEE關于25G以太網的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。

  光纖線路色散：指光纖長距離傳輸時由于色散造成的信號失真，和通信波長、通信速率、激光器線寬、光纖長度、光纖類型等都有關系。比如對于典型G.652光纖來說，其在1310nm附近的色散接近為0，偏離這個波長越遠、傳輸距離越長、調制速率越高、激光器線寬越寬，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。色散會造成傳輸質量的下降，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來等效衡量。

  維護余量：在實際的光纖鏈路上，光纖的接口多次插拔性能會有下降，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，這些都會造成額外的功率損耗。為了保證系統(tǒng)的可靠工作，在鏈路設計時應該留有一定的維護余量，一般在2到4dB左右。

  綜上可見，光纖鏈路的設計和余量計算時一個系統(tǒng)工程，對于單模光纖的鏈路余量計算會涉及波長選擇、光纖類型、鏈路拓撲、激光器、調制方式、調制速率、調制格式、信號質量、探測器、信號均衡、維護余量等方方面面的因素，需要綜合考慮和進行折衷。對于多模光纖來說，制約其傳輸距離的主要是有效模式帶寬，這點和單模光纖的線路損耗及色度色散不太一樣，我們不再做展開介紹。

  文章來源：微信公眾號“測量的知識”