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光纖鏈路：光如何傳送數據

本文件中的所有內容最終都歸結到同一處——一根十分之一毫米粗的玻璃絲，承載著紅外光脈衝。 光纖通訊鏈路由產生脈衝的發射器、承載脈衝的光纖線路，以及將脈衝還原為位元的接收器組成，還包括其間的一切：連接器、配線架、接續點、分光器和濾波器。本節以設計、測試和排障所需的深度，說明這條鏈路背後的物理原理和工程實踐——光為何能留在光纖中、甚麼會削弱和展寬它、給定光模組能傳輸多遠、無源線路由甚麼構成、如何測量以及如何失效。

端到端光纖鏈路：光模組、跳線、帶接續點的配線架、幹線光纜及各元件的損耗

為何選擇光纖

屬性光纖銅纜（雙絞線/twinax）結果
頻寬 × 距離THz 量級的光頻寬；單對光纖 100G 可達 10 km10G 下 RJ45 為 100 m，100G 下 DAC 為 3 m超出機架範圍就要用光纖
衰減0.2–0.35 dB/km（單模）10G 下每 100 m 為 10–20 dB無需再生即可傳輸數公里
抗干擾性無 EMI、無接地環路、無串擾易受影響樓宇間及工業場地使用光纖
尺寸和重量250 µm 塗覆光纖；12 芯光纜約 3 mm每對 6–8 mm管道和機架中的密度優勢
成本玻璃便宜，兩端（光模組）昂貴兩端便宜，高速時昂貴光模組是成本中心
操作處理端面脆弱、彎曲半徑受限、需保持清潔容忍度高本節提供的相關培訓內容

鏈路組成

鏈路由一系列元件組成，每個元件都有損耗，部分元件還帶來失真：

  1. 發射器——光模組中的激光器或 VCSEL，在 850、1310 或 1550 nm 波長發出 −8 … +4 dBm 的光（激光器）。
  2. 跳線——從模組到配線架的 1–5 m 跳接線；含兩個連接器端面。
  3. 配線架/ODF——跳線與熔接到光纜的尾纖在此通過適配器相接。
  4. 光纜——室內、室外或混合型，長度從數米到數十公里，芯數從一芯到數百芯（無源線路）。
  5. 接續點、分光器、濾波器——沿線路的接續點；拓撲需要時使用 PON 分光器或 WDM 合波器。
  6. 遠端配線架和跳線——與近端對稱。
  7. 接收器——遠端光模組中的光電二極管，所需光功率因類型而異，為 −12 … −28 dBm （接收器）。

鏈路預算將第 2–6 項的損耗相加，與第 1 項和第 7 項之差比較，並留出餘量（鏈路預算工程）。

限制鏈路的四個因素

限制因素定義決定相關材料
衰減每公里及每個連接器/接續點損失的光功率功率預算、單模光纖的傳輸距離衰減與傳輸窗口
色散脈衝在時間上展寬直至重疊多模光纖的傳輸距離；單模光纖 1550 nm 下 10G+ 的傳輸距離色散與頻寬
反射與噪聲反射回激光器的光、接收器噪聲、串擾從預算中扣除的代價鏈路預算工程
非線性效應DWDM 系統中高入纖功率時出現放大長途線路設計非線性效應

一段話講清光纖

光之所以留在纖芯中，是因為纖芯折射率略高於包層——全內反射。單模光纖（9 µm 纖芯）只傳輸一條光路，可達數十公里；多模光纖（50 µm 纖芯）傳輸數百條光路，各自到達時間略有不同，這將其距離限制在數百米，但也使其可以配合廉價的 850 nm VCSEL 工作。模式、數值孔徑、彎曲損耗、OM1–OM5 和 OS2 光纖等級等細節見 光如何在光纖中傳播和 連接器與光纖類型。

光纖鏈路的發展歷程

年代典型鏈路推動技術
1980 年代多模光纖上的 850 nm LED，10–100 Mb/s，< 2 km首批低損耗光纖、LED
1990 年代單模光纖上的 1310 nm 激光器，155 Mb/s–2.5 Gb/s，40 km；1G 以太網DFB 激光器、SC 連接器
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 並行及 WDM4；100G 相干長途；PON 入戶VCSEL 陣列、PAM4 起步、相干 DSP
2020 年代數據中心中的 400G/800G PAM4、400ZR 相干可插拔模組、50G-PON模組內 DSP、矽光子學

這段歷史中光模組一側的內容見 甚麼是光模組。

延伸閱讀

  • 光如何在光纖中傳播——折射率與全內反射、數值孔徑、模式、單模與多模、模場直徑、截止波長、彎曲損耗、光纖等級。
  • 衰減與傳輸窗口——瑞利散射與吸收、水峰、 850/1310/1550 nm 窗口、按光纖和波長劃分的 dB/km、連接器和接續損耗。
  • 色散與頻寬——模式色散、色度色散和偏振模色散、頻寬距離積、色散受限的傳輸距離、補償方法。
  • 光纖類型——ITU-T G.652–G.657 單模光纖、OM1–OM5 多模等級、特種光纖、異種光纖對接損耗、識別已敷設光纖。
  • 非線性效應——SPM、XPM、FWM、布里淵散射和拉曼散射、各自的適用場景、最佳入纖功率、緩解方法。
  • 反射與回波損耗——菲涅爾反射、反射率與 ORL 的區別、各元件的典型值、標準要求、測量方法、降低反射的手段。
  • 光纖如何製造——材料、MCVD/OVD/VAD/PCVD 預製棒、拉絲與塗覆、耐張測試與質檢、特種光纖、對現場作業的意義。
  • 可靠性與老化——強度與靜態疲勞、彎曲和應變規則、老化機理、各部分的使用壽命、按年代劃分的光纖、面向老化的設計。
  • 鏈路預算工程——計算公式、損耗餘量、代價項、餘量策略、算例、接收器過載與衰減器。
  • 無源線路——光纜、配線架、尾纖、接續點、衰減器、分光器、WDM 濾波器、接頭盒及其損耗餘量。
  • 光纜結構——分層結構、從鬆套管到 OPGW 和可捲繞光帶的光纜系列、阻燃等級、色標、閱讀光纜規格書、光纜選型。
  • 光纖網絡拓撲——點對點、環形、網狀、PON 樹形、 WDM；結構化佈線、數據中心模式、FTTx、光纖芯數規劃、保護。
  • 線路路由與敷設——管道、直埋、架空、室內路徑；彎曲和張力限制、路由規劃、接頭盒、標籤、驗收。
  • 文件與標籤——記錄集、編號方案、標籤、標準、工具、流程及其常見失誤。
  • 有源光基礎設施——無源與有源的區別、有源元件全景圖、分貝去向、歸屬與分界、生命週期。
  • 鏈路中的光模組——為光纖和距離匹配模組、從模組一側看預算、連接器與極性、兼容性、診斷、常見不匹配問題。
  • 放大器與再生——預算耗盡的時機、 EDFA/Raman/SOA/OEO、放置位置、OSNR 預算、運維放大線路、放大、再生還是轉向相干。
  • 傳輸與接入設備——媒體轉換器、轉發器、ROADM、OLT/ONU、保護倒換設備、電源與站點、管理、常見陷阱。
  • 監測與管理——可見性的層次、警報及其含義、基線與趨勢、協議與工具、關聯模組與光纖數據。
  • 熔接與端接——熔接工藝流程、機械熔接、尾纖與現場連接器、驗收標準與缺陷。
  • 測試與測量——光源與功率計、OTDR、回波損耗、端面檢查、認證、將 DDM 用作功率計。
  • 解讀 OTDR 曲線——設定參數、事件分類、盲區與動態範圍、雙向平均、距離與路由的換算、誤讀、活纖和 PON。
  • 端面檢查與清潔——污染的影響、 IEC 61300-3-35 分區與判定標準、設備與技術、污染類型、清潔方法、操作步驟。
  • 光纖特性測試——何時需要、測試項目、各業務的限值、通過結果判斷光纖身份和年限、操作步驟與報告。
  • 光纖線路故障——彎曲、污染、失配、不良熔接、反射、進水：表現、特徵、修復方法。
  • 維護與搶修——預防性週期、監測、備件、搶修流程、中斷的根本原因、線路生命週期。
  • 安全與操作——激光等級與危害級別、活纖操作規則、玻璃與化學品、現場危害、模組與跳線的操作。
  • 標準索引——按機構和按任務列出的 ITU-T、IEC、 TIA/ISO、Telcordia、IEEE/OIF 及各國文件，編號對照。
  • 光纖術語表——光、光纖和光纜類型、無源器件、連接器、敷設、測試和運維方面的術語。
  • 典型值——衰減、損耗餘量、反射率、幾何參數、色散、機械極限、波長、OTDR 數值、介面預算、功率與安全。
  • 公式與計算——分貝、衰減、導光參數、色散、鏈路預算、反射、OTDR、時延、力學及規劃計數，均附算例。

在 CodingBox 中

光模組的 DDM 就是鏈路自帶的功率計：一端是入纖功率，另一端是接收功率，二者之差就是線路損耗——CodingBox 在工作台上讀取這一數值，交換機在運行中讀取同樣的數值（應用中的 DDM， 接收功率與鏈路預算）。

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