光模块传输距离估算方法

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不同光模块，能支持的传输距离是不同的，在光模块选型时，除了注意模块支持的速率外，还应该关注它的传输距离。本文将通过通俗的语言来向大家解释，实际工作中如何估算光模块的传输距离，以下提供几种方法，供参考。
1. 工作波长和光纤类型

这个主要是通过看该光模块的工作波长和支持其传输的光纤类型。如果光模块工作于850nm (880nm)或910nm (940nm）附近时，那么该模块为多模光模块，而如果工作波长为1310nm或1550nm时，则为单模光模块。通常多模光模块支持的最大传输距离远小于单模光模块的传输距离，一般不超过500m。当然，不同的多模光纤类型，也会影响传输距离。比如对OM3、OM4和OM5多模光纤而言，在40G的工作范围最小为2m，最大传输距离分别为240m、350m和440m。在100G的工作范围最小是2m，OM3、OM4和OM5多模光纤的最大传输距离分别为75m、100m和150m。这是因为OM4，OM5光纤对模式色散作了优化，增加了带宽距离积。
而对于单模光模块，如果速率小于10G的话，损耗受限的话理论上1550波长支持的传输距离更远，而速率更高时，可能会是色散受限，这样1310可能可以支持更远的传输。当然，具体的还是得看激光器是EML还是DML。DML通常会有啁啾，与色散一起可能导致传输距离受限，速率达到25G时20km 单模光纤C波段传输时色散影响就比较大了。
2. 支持的协议规范

以上通过光模块的工作波长可以大致判断对应的传输距离。接着还可以进一步地从光模块支持的协议规范上来判断，如下图所示1，不同标准的10G光模块。



图1. 不同类型的10G光模块。

那么这些SR,LR等代表的是什么意思呢？其实如果知道了它们的英文全称，你就不难明白它们与传输距离之间的关系了。SR = short reach, LR= long reach, LRM = long reach multimode, ER = extended reach, ZR = the (Z) best reach。除了这些IEEE标准里规范的这些之外，其实还有MSA，OIF等组织推出的规范，详见下表。
表1. PMD类型与支持的传输距离对应表
PMD规范
典型传输距离
说明
KR
几十cm
背板连接
CR        几 m
铜轴
SR        几百m
通常是多模
LRM
220m
多模长距
DR
500m
并行单模（PSM)
FR
2km
100G CWDM4
LR
10km
长距单模
ER
40km
扩展长距
ZR
80km
更长距
ZR+
500km
ZR的扩展，相对于400G ZR


当然，对于光模块类型的标识，一般在光模块背面标签上有相关的信息，甚至也会给出支持的传输距离，如下图所示。


图2. 光模块标签标识

我们重点关注：QSFP28-100G-LR4这一行的命名规则。第一段表示的是该光模块封装类型，常见的有SFP,CFP，QSFP等，中间的是模块的基本速率，如10G,100G，400G等，而最后一段表示的是支持的PMD（物理媒介相关）协议，最后的数字表示是几个通道。有的光模块如果没有直接给出支持的距离，对照上表就知道应用场景和传输距离了。
3. 接收灵敏度
这个其实就是计算功率预算了，在低速率的系统中非常有用，因为色散和啁啾还不是主要的影响因素。计算方法非常简单：

  功率预算 = 最小发射光功率 - 最差接收灵敏度
上式中为何有最差和最小一说，是因为通常光模块的生产过程中难以完全有一致性能，并且在生命周期内性能也会有所变化，计算功率预算的时候需要考虑最坏的情况，这跟搞科研发论文完全不同，发论文是要求性能好，指标好，证明解决了关系的技术问题，而产品则需要保证可用性，普遍适用性。
再由功率预算，结合1310和1550波段的光纤损耗来计算最大支持的传输距离。一般O和C波段的平均损耗分别按0.35和0.25来计算。举个例子：
假设某单模光模块，工作波长为1310nm。其输出光功率为-4~0dBm，接收灵敏度为-22dBm，则根据上面的计算它支持的传输距离大约为50km，对应于ER标准。
当然，这种计算中没有考虑系统裕量和光纤接头、连接器损耗以及色散等损伤引入的代价,如图3所示，这只是理论上的最大值，实际会比这个值小一些。



图3. 功率预算考虑的因素及示意图

4. Required OSNR

对于用于长距传输的高速相干光模块，除了关注上述的功率预算（接收光功率灵敏度）外，通常还有个OSNR指标需要关注。前面说的短距光模块，通常是一个跨段的传输，光纤链路中没有光放（OA）,因而光功率是系统性能的主要决定指标。而考虑多段传输后，由于功率可以通过OA来提升，因而，如果单纯用光功率来衡量计算传输距离，是不准确的，必须要考虑链路累积噪声的影响。典型的长距WDM传输系统及光纤链路如下图所示。



图4. 典型的WDM光纤通信系统及光纤链路

通常发端和收端分别有一个功率放大器（booster amplifier)和一个预放（pre-amplifier)，而线路放大器（inline amplifer)主要是补偿每一跨段（span)光纤的损耗。假设系统中单波入纤功率为Pin dB, 有N个平均损耗为Aspan dB的光纤跨段，长度为Lspan km, 系统保证无纠后误码的最小OSNR为ReOSNR dB，链路传输代价为Penalty dB，系统所需要的余量为Budget dB，每个EDFA的噪声系数都一样，为NF dB。则理论上经过光纤传输后，单波长信号在接收端的OSNR估算量为：
OSNRest = Pin + 58 -NF -10log10(N)-Aspan

根据系统工作的要求，最大支持的传输距离需要满足下面的条件：
OSNRest≥ReOSNR+Penalty+Budget

联合上面的两式，就可以计算出最大的跨段数N, 从而得到最大的传输距离为：
Lmax = N*Lspan

上式中，100G相干系统中一般Pin约为1dBm，对于实际的EDFA链路NF= 5~7dB，Lsapn =80或100km， 对于普通单模光纤Aspan=22dB (100km)，Budget=5dB。目前商用的100G光模块的required OSNR典型值可达到11dB以内，因而可以轻松支持2000km以上传输的传输。
当然，还应该注意到如果发端有功放，收端有预放的时候，其实计算出来的最大跨段数应该还要减去1，再去计算最大传输距离。这就是5棵树只有4个空档的道理了。
实际系统传输的代价则主要是包括链路滤波的代价，非线性效应导致的代价，光模块实现的代价，链路动态损伤引入的代价（一般是偏振相关的效应受环境温度、振动、压力变化，如快速SOP变化）以及器件老化引入的性能劣化。要充分预估合适的系统裕量，是件比较复杂的事情，但这对于未来高效光传输系统必不可少，因为大部分的性能提升，比如dsp做非线性补偿带来的性能改善约0.5dB，很可能就被太保守的系统余量给轻松吃掉了。当所有的技术手段带来的效果都用光了的时候，或许应该重视怎么合理地设置系统的OSNR余量了，那里或许可以压榨出一些容量或距离的提升。


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