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(shè)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(hào)到達(dá)接收端時(shí)的功率和信號(hào)質(zhì)量能夠滿足特定誤碼率下接收端的靈敏度和信號(hào)質(zhì)量要求，同時(shí)還有一定的裕量。

  但實(shí)際上的計(jì)算要考慮的因素非常多，典型單模光纖光路余量的計(jì)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(jià) + 光纖線路色散)

  - 維護(hù)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)鏈路為例來分析一下光路余量計(jì)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(hào)強(qiáng)度的最直接參數(shù)，和光模塊的激光器類型、溫度特性、調(diào)制方式、信號(hào)調(diào)制速率及格式、內(nèi)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(hào)的變化幅度，所以在一些新的光通信標(biāo)準(zhǔn)里(比如IEEE關(guān)于25Gbps或以上速率的光接口標(biāo)準(zhǔn)中)，會(huì)更多使用OMA(Optical Modulation Amplitude，光調(diào)制幅度)這個(gè)參數(shù)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(cè)器類型、光路耦合方式、信號(hào)調(diào)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(cè)器在NRZ信號(hào)情況下靈敏度可以到-10dbm以下，使用APD探測(cè)器時(shí)可以到-20dbm以下。同樣的探測(cè)器設(shè)計(jì)，在PAM-4信號(hào)情況下靈敏度會(huì)減少約10db左右。在一些新的光通信標(biāo)準(zhǔn)里(比如IEEE關(guān)于25Gbps或以上速率的光接口標(biāo)準(zhǔn)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(shù)衡量接收端特性。

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

  光纖線路損耗：主要指長(zhǎng)距離傳輸時(shí)光纖線路的損耗，和傳輸波長(zhǎng)、光纖類型等有關(guān)，典型單模光纖的傳輸損耗在0.3到0.5dB/km 左右。機(jī)房?jī)?nèi)的光纖跳線也會(huì)造成損耗，不過由于跳線的長(zhǎng)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(yuǎn)距離傳輸?shù)墓饫w鏈路上可能會(huì)有4個(gè)到10個(gè)，甚至更多的轉(zhuǎn)接、跳線或熔接點(diǎn)，每個(gè)節(jié)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)，而跳線連接的損耗較大(一般每個(gè)節(jié)點(diǎn)約0.3~0.6dB)。

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

  光纖線路色散：指光纖長(zhǎng)距離傳輸時(shí)由于色散造成的信號(hào)失真，和通信波長(zhǎng)、通信速率、激光器線寬、光纖長(zhǎng)度、光纖類型等都有關(guān)系。比如對(duì)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(gè)波長(zhǎng)越遠(yuǎn)、傳輸距離越長(zhǎng)、調(diào)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(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)來等效衡量。

  維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)中還對(duì)光信號(hào)做調(diào)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(tǒng)的可靠工作，在鏈路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該留有一定的維護(hù)余量，一般在2到4dB左右。

  綜上可見，光纖鏈路的設(shè)計(jì)和余量計(jì)算時(shí)一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)于單模光纖的鏈路余量計(jì)算會(huì)涉及波長(zhǎng)選擇、光纖類型、鏈路拓?fù)洹⒓す馄?、調(diào)制方式、調(diào)制速率、調(diào)制格式、信號(hào)質(zhì)量、探測(cè)器、信號(hào)均衡、維護(hù)余量等方方面面的因素，需要綜合考慮和進(jìn)行折衷。對(duì)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(diǎn)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(hào)“測(cè)量的知識(shí)”