传输系统(光模块)能传多远是谁说了算?

传输距离通常与器件的工作波长、光纤类型、协议和标准以及光信号功率/接收灵敏度相关。比如说工作波长在850nm/910nm的多模光模块支持的最大传输距离(一般不超过500m)要比单模的1310nm/1550nm短。

通常,对于光纤传输链路中没有OA(Optical Amplifier)放大器的网络。我们通常可以参考如下图表来估算所选择的模块是否适合相应的场景和传输距离。

PMD
典型传输距离 备注
KR 几十厘米 背板之间的连接
CR 几米 Copper,同轴连接
SR 几百米 Short,多为多模光纤
LRM 220m Long Reach Muti-mode,长距离多模
DR 500m Parallel Single Mode (PSM),并行单模
FR 2km 100G CWDM4
LR 10km Long Reach Single Mode,长距离单模
ER 40km Extended Long Reach,扩展长距
ZR 80km 更远距离
ZR+ 500km ZR(Z)最佳距离

但是,对于有OA放大器的WDM网络,线路光模块传输距离的情况就会很不一样。当信号通过多跨网络传输时,OA可以提高链路的光功率,从而延长传输距离。因此,此时仅仅通过上面的表格或光模块的发光信号功率/接收灵敏度来估算传输距离是不准确的。如下图所示是一个典型的WDM传输系统链路。

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其中系统的发射端和接收端分别是功率放大器(booster-amplifier)和前置放大器(Pre-amplifier),发射端放大器用于补偿系统内部插损并提供足够的入纤光功率,接收端放大器用于补偿前一段光纤的损耗并保证收光功率在光模块灵敏度的合理范围内。中间的线路放大器则是为了弥补光纤每个跨度的损耗。

但对WDM系统来说,其传输距离有参考意义的指标,一般来说有光信噪比(OSNR)和误码率(BER)这两个。而OSNR是信号光功率与噪声光功率之比,每个EDFA产生的ASE噪声会经过后续的放大器放大以及光纤衰之后积累起来,使得系统输出端OSNR下降,从而最终导致误码率BER不符合系统要求。因此,我们如下所说的OSNR通常是在一定的BER水平下考虑的。

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那么WDM系统中怎样用OSNR来计算线路光模块的传输距离?

我们举例说明。例如,Pout为单波入纤功率,L为线路损耗,Nf为EDFA噪声系数,N为光再生段数量,在系统测试无误码后,则最小OSNR为ReOSNR(dB),链路传输的Penalty(dB)。在这种情况下,所需的系统余量预算为Budget(dB)。因此接收端信号的OSNR可以粗略定义为:

OSNR= Pout – 10logN – L – Nf + 58

备注:如果系统有M个通道,并考虑通道功率与均值间差异P,则信噪比为:

OSNR= Pout – 10logN – L – Nf+ 58- 10logM-P

根据光纤系统的要求,除非满足以下条件,否则无法达到最大传输距离:

OSNR≥ReOSNR+Penalty+Budget

结合上述两个等式,可以计算出最大跨度数,从而最大传输距离可以表示为:

Lmax = N*Lspan

一般来说,100G相干系统的单波入纤光功率Pout一般在1dBm左右。对于实际的EDFA光链路,其NF为5~7dB,Lspan=80或100km(普通单模光纤的平均跨度为22dB(100km)),功率预算为5dB。目前商用级100G光模块的典型背靠背OSNR可以达到11dBm以内,很容易达到2000km以上的传输距离。

因此,通过以上公式分析,我们在系统设计时可以通过提高P和降低NF来提高OSNR

  • 提高P:采用大功率OBA和OLA,但受非线性效应限制;
  • 降低NF:采用拉曼放大器。

但是实际上,光纤传输系统中固有损伤也会降低链路性能。比如说滤波器的损伤、光纤链路中存在高光功率时导致的非线性效应、光模块操作带来的损失。此外,还有来自链路动态输入触发的信号损伤,如受环境温度、振动、压力变化影响的极化相关(例如快速SOP变化)和组件老化导致的性能下降等。

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