Como estimar a distância de transmissão dos módulos de fibra óptica

Os módulos ópticos se diferenciam entre si pela distância de transmissão, uma característica que deve ser considerada, além de outras especificações como a taxa de dados, na seleção de transceptores de fibra óptica. Na era das redes de alta velocidade, o progresso contínuo da tecnologia de transmissão por fibra óptica exige distâncias cada vez maiores na comunicação em rede óptica . Alguns usuários podem ter dúvidas sobre a medição da distância de transmissão de um módulo óptico na prática. Se você é um deles, descubra os métodos neste artigo!

1. Comprimento de onda de trabalho  

Verificar o comprimento de onda de operação e o modo de fibra óptica de um módulo óptico é uma das maneiras comuns de estimar o alcance de um transceptor óptico. Se o módulo óptico opera em um comprimento de onda próximo a 850 nm (880 nm) ou 910 nm (940 nm), então o módulo é um transceptor óptico de fibra multimodo (MMF) , e se o comprimento de onda de operação for 1310 nm ou 1550 nm, trata-se de um módulo óptico de fibra monomodo (SMF) . Geralmente, a distância máxima de transmissão ( geralmente não superior a 500 m ) suportada por um módulo óptico de fibra multimodo é muito menor do que a de um módulo óptico de fibra monomodo .

2. Tipo de cabo de fibra óptica

Além do comprimento de onda de operação, o tipo de fibra multimodo é outro fator que influencia a distância de transmissão. Por exemplo, o menor comprimento de enlace para cabos de fibra multimodo como OM3 , OM4 e OM5 , em 40G, é de 2 m (o mesmo que em 100G), enquanto o maior é de 240 m, 350 m e 440 m , respectivamente. Já em 100G , as fibras OM3 , OM4 e OM5 atingem distâncias máximas de transmissão de 75 m, 100 m e 150 m, respectivamente, devido à dispersão modal otimizada e ao maior produto largura de banda-distância dos cabos OM4 e OM5 .

Para módulos de fibra óptica de modo único, quando a taxa de dados é inferior a 10 G, a distância máxima de transmissão de suporte não é tão longa quanto a daqueles com comprimento de onda de 1550, teoricamente, devido à perda de sinal. Se a velocidade de dados for superior a 10G, a dispersão pode ser limitada, de modo que o transceptor óptico no comprimento de onda 1310 possa suportar uma distância de transmissão mais longa.

No entanto, todos os fatores acima não podem fazer diferença simplesmente porque lasers como EML ou DML também afetam a distância de transmissão. Tende a haver chilrear de laser em DML. O chilrear do laser pode levar a efeitos de dispersão significativos para pulsos modulados em intensidade, o que limita a transmissão em retorno. Quando a velocidade atinge 25 Gbps/s, a dispersão na transmissão da banda C de 20 km de cabo de fibra monomodo é relativamente grande.

3. Complacente protocolos & Padrões

Além de verificar o comprimento de onda de operação dos módulos ópticos, o protocolo e o padrão são outros métodos para medir a distância de transmissão do sinal. A figura abaixo mostra uma série de diferentes módulos de fibra óptica 10G SFP+.

◮ Diferentes tipos de transceptores de fibra óptica 10G SFP+

O que significam as siglas SR e LR? Você poderá entender a relação entre seus significados e os comprimentos dos enlaces após obter a resposta . SR = curto alcance, LR = longo alcance, LRM = multimodo de longo alcance, ER = alcance estendido, ZR = o melhor alcance (Z) . Além do IEEE , existem outras especificações e normas emitidas por organizações como MSA e OIF . Consulte as tabelas de distância de fibra óptica a seguir para obter mais informações.

◮ A etiqueta no transceptor óptico QSFP28 100G LR4

O que mais importa na etiqueta do transceptor óptico são informações como QSFP28-100G-LR4 , ou seja, qual é a sua nomenclatura? Tomando QSFP28-100G-LR4 como exemplo, a parte “ QSFP28 ” refere-se ao formato do módulo, sendo os formatos mais comuns SFP, CFP e QSFP ; a parte central “100G” representa a taxa de transmissão de dados fundamental do módulo de fibra óptica , como 10G, 100G e 400G; “LR” significa o padrão PMD (Physical Medium Dependent) suportado; o número “4” indica que o módulo óptico possui quatro canais de sinal.

Nem todos os comprimentos de link suportados pelo transceptor óptico serão fornecidos na etiqueta. Ao verificar a tabela acima, você ainda pode obter facilmente conhecimento de sua aplicação e distância de transmissão.

4. Sensibilidade do receptor

Antes de obter mais detalhes sobre como medir a distância de transmissão, é necessário ter uma compreensão básica da potência óptica transmitida . A potência óptica transmitida pode ser considerada como a intensidade da luz, em W ou MW, ou dBm ( W ou mW são unidades lineares e dBm é uma unidade logarítmica ), que geralmente é medida por medidores de potência óptica. O dBm é a unidade mais frequentemente usada para representar a potência óptica . A equação pode ser expressa como:

P (dBm) = 10 Log (P / 1mW) 

A atenuação da potência óptica pela metade em mW equivale a uma redução de 3 dB. 0 dBm de potência óptica corresponde a 1 mW . A potência óptica dos produtos da série PON deve ser medida por um medidor de potência óptica específico devido ao modo burst da sua ONU. Nesse caso, os medidores de potência óptica precisam ser conectados em série nos circuitos para obter resultados instantâneos de potência óptica de uplink e downlink.

◮ Medidor de Potência Óptica

Os sistemas de comunicação óptica usam um valor BER para especificar o requisito de desempenho para uma aplicação de link de transmissão particular. Definir a sensibilidade do receptor de um transceptor óptico é, na verdade, medir um orçamento de potência óptica em dBm incidente no fotodetector. Este é um método bastante útil em sistemas de módulo óptico de baixa taxa de dados para dispersão e chilrear não são os principais fatores para o comprimento do link de transmissão. O método de medição é o seguinte:

Orçamento P = Min Pt - Min Pr

Por que existe uma potência mínima para transmissão e uma sensibilidade mínima para um fotodetector? O desempenho dos módulos ópticos frequentemente não é consistente ao longo da produção e varia durante seu ciclo de vida. Portanto, o pior desempenho deve ser considerado no cálculo da potência média. Isso difere da pesquisa acadêmica que busca aprovação de autoridades; nela, os produtos são avaliados por sua usabilidade e aplicabilidade geral.

Com base no orçamento de energia, a distância máxima de transmissão suportada pode ser medida pela perda de fibra óptica nas bandas de 1310nm e 1550nm. Em geral, a perda média da banda O e da banda C é medida em 0.35 dBm e 0.25 dBm, respectivamente. Por exemplo, se o comprimento de onda de trabalho de um módulo óptico SMF for 1310 nm; sua potência de trânsito é de -4~0dBm e a sensibilidade do receptor é de -22dBm. Assim, ele suporta uma distância de transmissão de cerca de 50 km, correspondendo ao padrão ER de acordo com o método de cálculo acima. 

Mas esse método não leva em consideração fatores como margem do sistema, conector de fibra óptica, perda e dispersão do conector de fibra óptica. Portanto, este resultado calculado é apenas a distância máxima teórica, mas seu resultado real é um pouco menor que isso.

5. OSNR Necessário

Para transceptores de fibra óptica com longo alcance de transmissão, OSNR (Relação Sinal-Ruído Óptico) é outro indicador importante além da sensibilidade do receptor. Quanto aos transceptores ópticos de curto alcance mencionados acima, como não há OA (Amplificador Óptico) nos links de transmissão de fibra óptica, a potência óptica é o principal indicador dominante para testar o desempenho do sistema do módulo. Quando o sinal é transmitido por uma rede multi-span, a potência do sistema de link pode ser melhorada pelo OA. Portanto, não é preciso medir a distância de transmissão apenas pela potência do sinal óptico, e a potência sinal-ruído dos enlaces ópticos também deve ser considerada. As figuras a seguir mostram um típico sistema de trânsito WDM e enlace óptico com longa distância.

◮ Sistema típico de enlace e comunicação por fibra óptica WDM

Existem amplificadores auxiliares e pré-amplificadores tanto na extremidade do transmissor quanto na extremidade do receptor. Um amplificador em linha para remediar as perdas de cada trecho de uma fibra óptica. Por exemplo, se a potência de entrada em um link de comprimento de onda único for Pin dB, há N extensões de fibra óptica com uma perda média de Aspan dB e o comprimento é Lspan km, o OSNR mínimo é ReOSNR dB desde que com transmissão de link Penalty dB depois que o sistema é testado para nenhum BER. Nesse caso, a margem necessária do sistema é o orçamento dB.

Cada EDFA tem o mesmo OSNR,ieNF dB de modo que o OSNR do sinal de comprimento de onda único na extremidade do receptor pode ser definido aproximadamente pela seguinte equação

OSNRest = Pin + 58 -NF -10log10 (N) -Aspan

De acordo com o requisito do sistema de fibra óptica, a distância máxima de transmissão não pode ser alcançada a menos que a seguinte condição seja fornecida,

OSNRest≥ReOSNR + Penalidade + Orçamento

Combinado com as 2 equações acima, o maior número do intervalo pode ser calculado de modo que a distância máxima de transmissão possa ser expressa como

Lmax = N * Lipan

Geralmente, o pino do sistema coerente 100G é de cerca de 1dBm. Para o link óptico EDFA na prática, seu NF é 5 ~ 7dB com Lsapn = 80 ou 100km;

enquanto a amplitude média da fibra monomodo comum é de 22dB (100km) e seu orçamento de energia é de 5dB. No momento, o OSNR típico exigido para um transceptor óptico de 100G de nível comercial pode atingir 11dBm e é fácil atingir uma distância de transmissão de mais de 2000 km.

Quando há um amplificador auxiliar na extremidade do transmissor e um pré-amplificador na extremidade do receptor, o número máximo calculado de spans deve ser menos 1. Nesse caso, o comprimento máximo do link de transmissão pode ser medido corretamente. Na realidade, uma série de deficiências de sinal inerentes aos sistemas de transmissão por fibra óptica podem degradar o desempenho do link.

As penalidades em um sistema de transmissão por fibra óptica incluem a penalidade do filtro de enlace, os efeitos não lineares que surgem quando há um alto nível de potência óptica em um enlace de fibra e a penalidade da operação do módulo óptico. Além disso, as penalidades de potência resultam da degradação do sinal causada pela entrada dinâmica do enlace (geralmente a dependência da polarização, afetada por mudanças na temperatura ambiente, vibração e pressão, como variações rápidas do estado de polarização) e da degradação do desempenho causada pelo amaciamento dos componentes.

Embora a estimativa geral de uma margem de sistema adequada não seja fácil, ela é essencial para o futuro dos sistemas de comunicação por fibra óptica de alta eficiência. Como a maior parte do desempenho aprimorado, por exemplo, o desempenho aprimorado do DSP por meio da correção do efeito não linear é de 0.5 dB, é provável que seja contrabalançado por uma margem de sistema excessivamente convencional.

Quando todas as técnicas tiverem sido experimentadas, pode ser hora de as pessoas prestarem atenção em como definir razoavelmente a margem OSNR do sistema, através da qual alguma capacidade ou distâncias podem ser aumentadas.

Conclusão

De acordo com as análises acima, a distância de transmissão óptica é afetada por diversos fatores, incluindo o comprimento de onda de operação, o modo da fibra óptica, os protocolos e padrões aplicáveis, a sensibilidade do receptor e a relação sinal-ruído óptica (OSNR) necessária. A distância de transmissão de um transceptor de fibra óptica pode ser facilmente medida ou estimada quando esses fatores são levados em consideração.