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光纤链路：光如何传输数据

本文档中的所有内容最终都归结到同一处——一根十分之一毫米粗的玻璃丝，承载着红外光脉冲。 光纤通信链路由产生脉冲的发射机、承载脉冲的光纤线路，以及将脉冲还原为比特的接收机组成，还包括其间的一切：连接器、配线架、熔接点、分光器和滤波器。本节以设计、测试和排障所需的深度，说明这条链路背后的物理原理和工程实践——光为何能留在光纤中、什么会削弱和展宽它、给定光模块能传输多远、无源线路由什么构成、如何测量以及如何失效。

端到端光纤链路：光模块、跳线、带熔接点的配线架、干线光缆及各元件的损耗

为何选择光纤

属性光纤铜缆（双绞线/twinax）结果
带宽 × 距离THz 量级的光带宽；单对光纤 100G 可达 10 km10G 下 RJ45 为 100 m，100G 下 DAC 为 3 m超出机架范围就要用光纤
衰减0.2–0.35 dB/km（单模）10G 下每 100 m 为 10–20 dB无需再生即可传输数公里
抗干扰性无 EMI、无接地环路、无串扰易受影响楼宇间及工业场地使用光纤
尺寸和重量250 µm 涂覆光纤；12 芯光缆约 3 mm每对 6–8 mm管道和机架中的密度优势
成本玻璃便宜，两端（光模块）昂贵两端便宜，高速时昂贵光模块是成本中心
操作处理端面脆弱、弯曲半径受限、需保持清洁容忍度高本节提供的相关培训内容

链路组成

链路由一系列元件组成，每个元件都有损耗，部分元件还带来失真：

  1. 发射机——光模块中的激光器或 VCSEL，在 850、1310 或 1550 nm 波长发出 −8 … +4 dBm 的光（激光器）。
  2. 跳线——从模块到配线架的 1–5 m 跳接线；含两个连接器端面。
  3. 配线架/ODF——跳线与熔接到光缆的尾纤在此通过适配器相接。
  4. 光缆——室内、室外或混合型，长度从数米到数十公里，芯数从一芯到数百芯（无源线路）。
  5. 熔接点、分光器、滤波器——沿线路的熔接点；拓扑需要时使用 PON 分光器或 WDM 复用器。
  6. 远端配线架和跳线——与近端对称。
  7. 接收机——远端光模块中的光电二极管，所需光功率因类型而异，为 −12 … −28 dBm （接收机）。

链路预算将第 2–6 项的损耗相加，与第 1 项和第 7 项之差比较，并留出余量（链路预算工程）。

限制链路的四个因素

限制因素定义决定相关材料
衰减每公里及每个连接器/熔接点损失的光功率功率预算、单模光纤的传输距离衰减与传输窗口
色散脉冲在时间上展宽直至重叠多模光纤的传输距离；单模光纤 1550 nm 下 10G+ 的传输距离色散与带宽
反射与噪声反射回激光器的光、接收机噪声、串扰从预算中扣除的代价链路预算工程
非线性效应DWDM 系统中高入纤功率时出现放大长途线路设计非线性效应

一段话讲清光纤

光之所以留在纤芯中，是因为纤芯折射率略高于包层——全内反射。单模光纤（9 µm 纤芯）只传输一条光路，可达数十公里；多模光纤（50 µm 纤芯）传输数百条光路，各自到达时间略有不同，这将其距离限制在数百米，但也使其可以配合廉价的 850 nm VCSEL 工作。模式、数值孔径、弯曲损耗、OM1–OM5 和 OS2 光纤等级等细节见 光如何在光纤中传播和 连接器与光纤类型。

光纤链路的发展历程

年代典型链路推动技术
1980 年代多模光纤上的 850 nm LED，10–100 Mb/s，< 2 km首批低损耗光纤、LED
1990 年代单模光纤上的 1310 nm 激光器，155 Mb/s–2.5 Gb/s，40 km；1G 以太网DFB 激光器、SC 连接器
2000 年代1310/1550 nm 下 10G，80 km；DWDM 40 × 10G 配 EDFAWDM、放大器、SFP/XFP
2010 年代40/100G 并行及 WDM4；100G 相干长途；PON 入户VCSEL 阵列、PAM4 起步、相干 DSP
2020 年代数据中心中的 400G/800G PAM4、400ZR 相干可插拔模块、50G-PON模块内 DSP、硅光子学

这段历史中光模块一侧的内容见 什么是光模块。

延伸阅读

  • 光如何在光纤中传播——折射率与全内反射、数值孔径、模式、单模与多模、模场直径、截止波长、弯曲损耗、光纤等级。
  • 衰减与传输窗口——瑞利散射与吸收、水峰、 850/1310/1550 nm 窗口、按光纤和波长划分的 dB/km、连接器和熔接损耗。
  • 色散与带宽——模式色散、色度色散和偏振模色散、带宽距离积、色散受限的传输距离、补偿方法。
  • 光纤类型——ITU-T G.652–G.657 单模光纤、OM1–OM5 多模等级、特种光纤、异种光纤对接损耗、识别已敷设光纤。
  • 非线性效应——SPM、XPM、FWM、布里渊散射和拉曼散射、各自的适用场景、最佳入纤功率、缓解方法。
  • 反射与回波损耗——菲涅尔反射、反射率与 ORL 的区别、各元件的典型值、标准要求、测量方法、降低反射的手段。
  • 光纤如何制造——材料、MCVD/OVD/VAD/PCVD 预制棒、拉丝与涂覆、耐张测试与质检、特种光纤、对现场作业的意义。
  • 可靠性与老化——强度与静态疲劳、弯曲和应变规则、老化机理、各部分的使用寿命、按年代划分的光纤、面向老化的设计。
  • 链路预算工程——计算公式、损耗余量、代价项、余量策略、算例、接收机过载与衰减器。
  • 无源线路——光缆、配线架、尾纤、熔接点、衰减器、分光器、WDM 滤波器、接头盒及其损耗余量。
  • 光缆结构——分层结构、从松套管到 OPGW 和可卷绕光带的光缆系列、阻燃等级、色标、阅读光缆规格书、光缆选型。
  • 光纤网络拓扑——点对点、环形、网状、PON 树形、 WDM；结构化布线、数据中心模式、FTTx、光纤芯数规划、保护。
  • 线路路由与敷设——管道、直埋、架空、室内路径；弯曲和张力限制、路由规划、接头盒、标签、验收。
  • 文档与标签——记录集、编号方案、标签、标准、工具、流程及其常见失误。
  • 有源光基础设施——无源与有源的区别、有源元件全景图、分贝去向、归属与分界、生命周期。
  • 链路中的光模块——为光纤和距离匹配模块、从模块一侧看预算、连接器与极性、兼容性、诊断、常见不匹配问题。
  • 放大器与再生——预算耗尽的时机、 EDFA/Raman/SOA/OEO、放置位置、OSNR 预算、运维放大线路、放大、再生还是转向相干。
  • 传输与接入设备——媒体转换器、转发器、ROADM、OLT/ONU、保护倒换设备、电源与站点、管理、常见陷阱。
  • 监测与管理——可见性的层次、告警及其含义、基线与趋势、协议与工具、关联模块与光纤数据。
  • 熔接与端接——熔接工艺流程、机械熔接、尾纤与现场连接器、验收标准与缺陷。
  • 测试与测量——光源与功率计、OTDR、回波损耗、端面检测、认证、将 DDM 用作功率计。
  • 解读 OTDR 曲线——设置参数、事件分类、盲区与动态范围、双向平均、距离与路由的换算、误读、活纤和 PON。
  • 端面检测与清洁——污染的影响、 IEC 61300-3-35 分区与判定标准、设备与技术、污染类型、清洁方法、操作步骤。
  • 光纤特性测试——何时需要、测试项目、各业务的限值、通过结果判断光纤身份和年限、操作步骤与报告。
  • 光纤线路故障——弯曲、污染、失配、不良熔接、反射、进水：表现、特征、修复方法。
  • 维护与抢修——预防性周期、监测、备件、抢修流程、中断的根本原因、线路生命周期。
  • 安全与操作——激光等级与危害级别、活纤操作规则、玻璃与化学品、现场危害、模块与跳线的操作。
  • 标准索引——按机构和按任务列出的 ITU-T、IEC、 TIA/ISO、Telcordia、IEEE/OIF 及各国文件，编号对照。
  • 光纤术语表——光、光纤和光缆类型、无源器件、连接器、敷设、测试和运维方面的术语。
  • 典型值——衰减、损耗余量、反射率、几何参数、色散、机械极限、波长、OTDR 数值、接口预算、功率与安全。
  • 公式与计算——分贝、衰减、导光参数、色散、链路预算、反射、OTDR、时延、力学及规划计数，均附算例。

在 CodingBox 中

光模块的 DDM 就是链路自带的功率计：一端是入纤功率，另一端是接收功率，二者之差就是线路损耗——CodingBox 在工作台上读取这一数值，交换机在运行中读取同样的数值（应用中的 DDM， 接收功率与链路预算）。

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