光纤链路的功率裕量

  一段典型的光纤链路由发送端光模块、接收端光模块、光纤跳线、合分波设备或配线架、光纤线路等组成。要保证通信链路能够正常工作，最基本的要求是发送端发出的信号到达接收端时的功率和信号质量能够满足特定误码率下接收端的灵敏度和信号质量要求，同时还有一定的裕量。

  但实际上的计算要考虑的因素非常多，典型单模光纤光路余量的计算需要满足以下基本条件的要求：

  (发送端功率 – 接收端灵敏度)

  - (合分波或配线架插入损耗 + 光纤线路损耗 + 光纤接头损耗)

  - (发送端色散代价 + 光纤线路色散)

  - 维护余量

  > 0dB

  下图是一个典型的单模光纤传输链路，我们将以这个链路为例来分析一下光路余量计算需要考虑的因素。

  发送端光功率：指从发送端光模块直接输出的功率，是发射端输出信号强度的最直接参数，和光模块的激光器类型、温度特性、调制方式、信号调制速率及格式、内部光路耦合方式等都有关系，一般在-0dbm到5dbm左右。由于光功率仅是个输出功率的平均值，并不真正反映光信号的变化幅度，所以在一些新的光通信标准里(比如IEEE关于25Gbps或以上速率的光接口标准中)，会更多使用OMA(Optical Modulation Amplitude，光调制幅度)这个参数衡量发送端功率特性。

  接收端灵敏度：指接收端光模块在特定误码率下能够支持的最小功率，和接收端使用的探测器类型、光路耦合方式、信号调制速率及格式、接收端CDR和均衡能力等都有关系。一般使用PIN探测器在NRZ信号情况下灵敏度可以到-10dbm以下，使用APD探测器时可以到-20dbm以下。同样的探测器设计，在PAM-4信号情况下灵敏度会减少约10db左右。在一些新的光通信标准里(比如IEEE关于25Gbps或以上速率的光接口标准中)，为了更真实反映接收端能力，更多使用OMA灵敏度或带压力情况下的OMA灵敏度(即光压力眼)参数衡量接收端特性。

  合分波或配线架插入损耗：对于采用波分复用的通信系统，在通信链路上可能会使用合波设备把多个波长合路到一个光纤上，在接收端再通过分波设备把各个波长分配提取出来，甚至中间链路上可能还会有专门的WSS(波长选择开关)控制各个波长信号的路由和切换。另外，在很多机房中还会使用光纤配线架实现终端设备和干线光缆的跳接。合分波设备和配线架都会造成光信号的功率损耗，具体的损耗和使用的设备类型及实现原理有关。

  光纤线路损耗：主要指长距离传输时光纤线路的损耗，和传输波长、光纤类型等有关，典型单模光纤的传输损耗在0.3到0.5dB/km 左右。机房内的光纤跳线也会造成损耗，不过由于跳线的长度一般较短，主要考虑其接头造成的损耗。

  光纤接头损耗：典型的远距离传输的光纤链路上可能会有4个到10个，甚至更多的转接、跳线或熔接点，每个节点都会造成功率的损失，具体的损耗和接头连接方式、接头质量等有关系。通常熔接的损耗较小(一般好的熔接点损耗可以在0.1dB以下)，而跳线连接的损耗较大(一般每个节点约0.3~0.6dB)。

  发送端色散代价：指由于发射机信号失真带来的额外功率代价。实际的光发射机发出的信号都会有一些噪声、抖动以及信号的变形，这都会额外造成接收端接收能力的下降。针对NRZ信号的TDP(Transmitter and dispersion penalty，发射机色散代价)指标和针对PAM-4信号的TDECQ(Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM-4，PAM-4信号发射机色散眼图闭合度)指标，就都是用来衡量发射机失真带来的等效功率损失的。在有些新的标准中，会直接把色散代价和发射机调制幅度一起考虑，比如IEEE关于25G以太网的802.3cc标准中，除了对于OMA和TDP指标有各自的定义，还定义了对于(OMA - TDP)的指标要求。

  光纤线路色散：指光纤长距离传输时由于色散造成的信号失真，和通信波长、通信速率、激光器线宽、光纤长度、光纤类型等都有关系。比如对于典型G.652光纤来说，其在1310nm附近的色散接近为0，偏离这个波长越远、传输距离越长、调制速率越高、激光器线宽越宽，由于色散造成的影响越大。典型G.652光纤在1550nm处的色散约为18ps/nm*km。色散会造成传输质量的下降，从而影响接收端的灵敏度，因此色散造成的影响也可以用功率代价来等效衡量。

  维护余量：在实际的光纤链路上，光纤的接口多次插拔性能会有下降，光纤端面有可能污染，光纤本身也可能弯曲变形，而且光纤如果断了还需要重新熔接，有些5G前传的标准中还对光信号做调顶用于传输OAM信息，这些都会造成额外的功率损耗。为了保证系统的可靠工作，在链路设计时应该留有一定的维护余量，一般在2到4dB左右。

  综上可见，光纤链路的设计和余量计算时一个系统工程，对于单模光纤的链路余量计算会涉及波长选择、光纤类型、链路拓扑、激光器、调制方式、调制速率、调制格式、信号质量、探测器、信号均衡、维护余量等方方面面的因素，需要综合考虑和进行折衷。对于多模光纤来说，制约其传输距离的主要是有效模式带宽，这点和单模光纤的线路损耗及色度色散不太一样，我们不再做展开介绍。

  文章来源：微信公众号“测量的知识”