Power Budget 功率預算介紹

 

光纖收發模組的種類眾多, 規格相異, 成本不同. 如何在具成本效益前提之下, 選用最合適的類別? 使用者應該在採購初期即能對光纖通訊模組是否能充分滿足所要應用的網路環境進行規劃. 自雷射產生信號光導入光纖傳遞開始, 信號即開始受到環境影響弱化失真化, 需要有一個評估指標來了解整個系統是否確實運作在可信任的條件之下. 功率預算 Power Budget 是光纖通訊系統規劃用以評定穩定可靠互連的實用參數.

 

光通信系統的組成

一個簡易的通訊系統模型包含三個部分, 發射端 Transmitter, 傳輸介質 Media, 接收端 Receiver. 各部分有其對應的規格, 而在連結組合之後, 可以達成通信的功能. 示意如下.

對於光通信而言, Transmitter 端即包含雷射光源及相關驅動電路; Receiver 端包含檢光器與搭配的放大電路, 信號調節電路. Media 自然是指光纖本身了.

發射端 Transmitter

光源的主要特性規格就是發射光功率, 可以在產品規格表內查到, 代表 Transmitter 剛注入光纖的有效光功率大小. 畢竟只有進入光纖的光, 才能傳輸至遠方. 這個發射光功率將是個起點, 將在後續的傳輸中逐步消耗或是承擔作為不理想因素的代價.

然而光源本身存在些通信上的負面因素, 譬如光譜寬度 Spectra width, 這會與光纖的色散 Dispersion 加乘產生失真; 信號抖動 Jitter, 時序上的不穩定影響接收端的信號判讀. 這些信號失真, 將需要額外的光功率作為代價.

接收端 Receiver

接收端的主要規格為靈敏度, 同樣在產品規格表內可以查到. 代表信號離開光纖後, 接收端可將已失真的信號還原至特定誤碼率水準的最差光功率值. 舉例來說, 在低於某個特定的接收光功率時, 誤碼率都會小於 10^-12, 此時的光功率恰好就是該接收端的靈敏度. 因此靈敏度是一個規格上限, 低於此規格, 都是合格, 而且越低代表接收端性能越好. 這不難理解, 如果我們的眼睛可以看到越微弱的光, 自然是更優良的一雙眼睛.

接收端也存在些不理想因子, 主要在於接收端的靈敏度會隨一些環境因素而變化, 特別是本身的雜訊. 雜訊的水準升高, 越容易妨礙正常信號的判讀.

傳輸媒介 Media

光通信領域的傳輸媒介都是光纖, 區別只在於是光纖的種類. 不同光纖規格, 將會有不同的信號劣化過程.

對於多模光纖而言, 雖然光纖有損耗, 但是模態色散產生的信號失真較嚴重. 光纖裡的光功率雖然還很強, 但信號變形的程度已經讓接收端電路無法復原該信號.

而對單模光纖來說, 單一模態的色散來源比較單純, 以材料色散 Chromatic Dispersion 為主. 只要光源的光譜寬度 Spectra Width 夠窄, 累積色散效果導致的信號變形, 可以預設一個色散懲罰 Dispersion Penalty 作為代價. 概念簡化後, 只要專注於光纖連結的損耗即可. 光纖鏈路的損耗的來源有三.

• 單模光纖本身的物理化學條件使衰減不可避免, 不同波長去區段會有不同衰減量. 挑選一個低衰減量的波段, 將有利於傳輸更遠的距離. 即便挑選在低衰減的波段, 衰減值也不為零, 1310nm 波段約為0.4 dB/km; 1550nm 波段約為 0.2 dB/km. 傳輸距離將受此限制.

• 長途光纖纜線的佈建, 往往不是單一光纖自始至終, 需要多段光纖熔接, 串接而成. 經驗值顯示, 一個理想熔接點的損耗小於 0.1 dB. 不良的熔接, 可能讓光在熔接點大幅消散, 因此熔接是個技術活, 需要長期經驗的累積.

• 以熔接實現的串接具有低損耗的優點, 但也失去連接的彈性. 因此可重複性的機械性連接適配器在接取端成為介接網路理想選項. 不同的連接器及適配器組合有不同的損耗, 經驗值介於 0.3 到 1.0 dB.

 

功率預算

在瞭解光通信系統的各部組成, 相關功率及損耗規格後我們可以建立功率預算, 用以評估系統運作的可靠與否. 假定我們有一個光通訊系統如下, 自發射端經過光纖介質傳達到接收端. 沿途經歷過幾個接續點. 假設分別是三個連接器以及兩個熔接點.

光信號自發射端發出後, 沿著通訊路途, 可以觀察到光功率不斷地被損耗. 其中光纖本身材質的損耗, 顯示沿途有一斜率下降過程, 光纖越長, 下降越多. 而接續點就會導致光功率在該位置的瞬間下降, 而以連接器下降的多, 熔接點下降的少. 到達接收端後, 原先發射端的光功率已經損耗了 Link Loss 這麼多. 接著由於雷射以及光纖的色散失真考量, 需要預留一個 Dispersion Penalty 給系統作為失真補償. 至此, 我們剩下的光強度還必須要確保高過靈敏度一個安全範圍, 才能擔保系統互連的安全.

功率預算定義為發射端的最小輸出光功率減去接收端的最大靈敏度規格, 也就是考慮兩端都是最差規格. 由上述討論, 可得

Power Budget = Link Loss + Dispersion Penalty + Margin

依據上述的概念, 下面的例子作為一個實務的推算.

發射端功率	-3 dBm
接收端靈敏度	-21 dBm
光纖單位長度損耗	0.2 dB/km
熔接損耗	0.5 dB
熔接點預估數量	2
連接器損耗	1 dB
連接器預估數量	3
色散懲罰	1 dB
保留安全餘裕	1 dB

由此可得功率預算 18 dB = 0.2 dB/km * 最遠可傳輸距離 + 0.5dB * 2 + 1dB * 3 + 1dB + 1dB

在給定的光發射端與光接收端的性能下, 依上述評估可得, 最遠傳輸距離為 60 km.