放大与再生：EDFA、拉曼、SOA、OEO

一对光模块能把信号送多远，取决于其功率预算和色散容限——LR 为 10 km，ZR 为 80 km，放大后的 400ZR 为 120 km。超出这个距离，线路中就必须有设备来恢复光纤消耗掉的部分：要么是在不触及数据的情况下一次性放大所有波长的光放大器，要么是以电域方式接收信号后重新发送的再生器。本页介绍预算在何处耗尽、放大器的类型及其参数、它们在线路中的位置、一旦引入放大器后预算如何变为 OSNR 预算、运行一条已放大线路有哪些要求，以及如何在放大、再生和相干模块之间做出选择。

光模块的预算在何处耗尽

技术	未放大传输距离	延伸手段
10G LR / ER / ZR	10 / 40 / 80 km	色散补偿加 EDFA 可延伸到 100–150 km；再远则需 DWDM 线路系统
100G LR4 / ER4（直接检测）	10 / 40 km	无——更长跨段需改用相干方案
100G–400G 相干可插拔模块（ZR、ZR+）	40 km（400ZR 未放大，≤ 11 dB）	一对 EDFA 可延伸到 120 km（ZR），放大器链可达 1 000+ km（ZR+、OpenZR+）（相干长距传输）
通过复用器的 10G DWDM	采用 EDFA 时每跨段 80 km	多个 EDFA 加色散补偿模块串联，可达 400–600 km，之后需要再生
相干转发器	每跨段 80–120 km	EDFA 和拉曼放大器链、ROADM，每个再生段可达 1 000–3 000 km
PON，class C+	20 km，1:32–1:64	延伸器（ITU-T G.984.6）可达 60 km 或更大分光比
多模	100–400 m	从不放大——由交换机或媒体转换器再生

放大器类型

类型	原理	波段	增益与输出	噪声系数	说明
EDFA（掺铒光纤放大器）	几米长的掺铒光纤，以 980 或 1480 nm 泵浦；信号激发受激辐射	C 波段 1 530–1 565 nm；L 波段型号为 1 565–1 625 nm	增益 15–35 dB；总输出 +17…+23 dBm，功率放大型可达 +27 dBm	4–6 dB	最常用的主力机型；单信道或多信道；配有增益平坦滤波器、可变增益、用于信道上下路的瞬态控制（DWDM 组件）
拉曼（分布式）	把比信号波长短约 100 nm 的泵浦光（C 波段约为 1 450 nm）注入传输光纤，通常反向注入；光纤本身在最初的 20–40 km 内完成放大	泵浦所允许的任意波段	10–15 dB 的分布式增益	有效噪声系数低于 EDFA——每跨段 OSNR 优于 EDFA 3–5 dB	泵浦功率 +27…+30 dBm，4 类激光——连接器清洁度和 APR 事关生命安全（安全与操作规范）；长跨段或无中继跨段（300+ km）采用拉曼-EDFA 混合放大
SOA（半导体光放大器）	一块没有反射镜的激光芯片；电泵浦	任意波段，包括 1 310 nm 的 O 波段	10–20 dB；+10…+13 dBm	7–9 dB	速度快、体积小、成本低；用于 PON 延伸器和突发模式；增益随码型变化，限制了在 DWDM 中的应用
远程光泵浦放大器（ROPA）	线路中一段不供电的铒光纤线圈，由终端站通过光纤远程泵浦	C 波段	10–15 dB	—	无中继海底和沙漠跨段
3R 再生器（OEO）	接收、重定时、整形并重新发送——两个转发器背靠背连接	按信道计	重置 OSNR、色散、PMD 和非线性失真	—	按信道计成本高，并增加时延；仅在单靠放大已无法达到所需 OSNR 时使用
2R 再生器、媒体转换器	以电域方式重新放大并整形，不重新定时	按信道计	重置功率和眼图	—	用于小型链路；交换机端口就是最常见的再生器（传输与接入设备）

放大器在线路中的位置

位置	作用	典型值
发送端复用器之后的功率放大器（后置放大器）	把合波后的各信道提升到发射功率	总功率 +17…+20 dBm，每信道 0…+3 dBm
每跨段的线路放大器（在线放大）	补偿跨段损耗	跨段 80–120 km，损耗 20–28 dB；增益设置为与之相等；传统 10G 线路在中间级接入色散补偿模块
接收端解复用器之前的前置放大器	把微弱信道提升到高于接收机噪声的水平	每信道输入 −25 dBm，输出 −5 dBm；有效灵敏度提高 10 dB 以上
跨段接收端的分布式拉曼放大	降低有效噪声系数，延长跨段	20–40 km 的分布式增益
放大站点	配备电池、散热、OSC 终端和监测设备的供电机房或机柜	长途线路上每 80–120 km 一处（光纤网络拓扑）

从功率预算到 OSNR 预算

每一级放大器都会增加放大自发辐射——也就是噪声。一旦线路中引入放大器，接收机的限制因素就变成了光信噪比，而不再是功率。

公式	含义
OSNR_span [dB，0.1 nm] ≈ 58 + P_channel [dBm] − L_span [dB] − NF [dB]	经过一个跨段和一台放大器后的 OSNR
OSNR_total ≈ OSNR_span − 10 · log₁₀ N	N 个相同跨段的情况
所需 OSNR：10G NRZ ≈ 15–18 dB；带软判决 FEC 的 100G DP-QPSK ≈ 12–15 dB；400ZR ≈ 26 dB；400G 16QAM ZR+ ≈ 22–24 dB	接收机的需求

举例：每信道 0 dBm，跨段损耗 22 dB，噪声系数 5 dB → 每跨段 31 dB；三个跨段 → 26.2 dB，达到 400ZR 的极限；十个跨段 → 21 dB，对 100G DP-QPSK 而言绰绰有余。提高信道功率可以换取更高的 OSNR，直到非线性效应把这部分增益吞噬掉——在 G.652 光纤上，最优值通常是每信道 0…+3 dBm （非线性效应、放大与 OSNR）。

运行已放大的线路

项目	做法
光安全	每个放大器输出端和拉曼泵浦均为 3B/4 类；自动功率降低（APR，ITU-T G.664）在信号丢失时关闭泵浦；切勿断开带电的高功率连接器；每个站点均须张贴危险标签
连接器清洁度	在 +20 dBm 及以上，污染的端面会烧毁，并可能引发光纤熔丝效应；每次对接前都要检查（端面检查与清洁）
反射	放大器内置隔离器，采用 APC 连接器，线路 ORL ≥ 24 dB；强反射进入 EDFA 会使其起振（反射与回波损耗）
泵浦监测	恒定输出下的泵浦电流是老化指标；应备有泵浦板或整台放大器的备件
增益与倾斜	增益平坦滤波器和动态增益均衡把 40–96 个信道控制在 1–2 dB 以内；倾斜会随拉曼放大和跨段数增加而加剧
信道上下路	瞬态控制可防止其他信道消失时剩余信道功率浪涌；按规程增加信道
光监控信道（OSC）	一个独立波长，通常为 1 510 或 1 610 nm，在每个放大站点终结，承载管理信息、告警和跨段损耗遥测（监测与管理）
电源与环境	−48 V 直流，配 4–8 小时电池；无人值守站点配备散热、门禁和温度传感器
先做光纤特性表征	跨段损耗、ORL、色散、PMD 和有效面积决定放大器方案（光纤特性表征）

在放大、再生和相干方案之间选择

情况	选择
10G 单信道，80–100 km	10G ZR 模块，或 LR/ER 配合 EDFA 和色散补偿
10G DWDM，200–400 km，传统系统	带色散补偿模块的 EDFA 链；可考虑改用相干方案
100G，80–120 km	400ZR/100G ZR 可插拔模块配一对 EDFA——目前最简单的方案
100G–400G，500–2 000 km	相干转发器或 ZR+，配合 EDFA 链和 ROADM；仅在 OSNR 耗尽处才使用再生
无中继 250–400 km	高功率放大器、拉曼放大、ROPA、相干方案
PON 超过 20 km 或分光比很大	延伸器，或 class C++/E2 光模块（ODN 等级）
园区多模超过 400 m	用交换机或媒体转换器作为再生器，或改用单模光纤
任何放大器无法弥补 OSNR 缺口的链路	采用 3R 再生

在 CodingBox 中

为已放大线路馈入信号和终结信号的模块仍是可插拔模块，CodingBox 会读取放大器输入端所关心的参数：发射功率、精确波长或 DWDM 信道、可调谐范围、功率等级。相干模块还会通过 VDM 报告 OSNR、色度色散和前 FEC 误码率——这是接收机眼中线路系统的健康状况——CodingBox 会显示该模块支持哪些此类可观测量（可调谐光模块、VDM 与 FEC 指标、检测光模块）。

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