В оптических системах связи оптические модули играют ключевую роль в передаче оптического сигнала, и их производительность критически важна для стабильности и надёжности сети. Однако при прямом подключении оптических модулей большой дальности к оптоволоконным линиям малой дальности без затухания оптические компоненты на приёмной стороне легко повреждаются. Это требует сложного управления оптической мощностью и инженерных решений.

Я. Перегрузка оптической мощности: «смертельная угроза» для приёмников

Чтобы компенсировать затухание сигнала на больших расстояниях, оптические модули большой дальности (например, 40-километровые и 80-километровые) передают сигнал с более высокой оптической мощностью. Одномодовый модуль с длиной волны 40 км может достигать +2 дБм, в то время как порог перегрузки приёмника часто составляет всего -3 дБм.

При прямом подключении к оптоволоконному кабелю малой протяженности (например, 10-километровому) затухание оптического сигнала недостаточно, и оптическая мощность на приёмнике значительно превышает предельно допустимую. Это может привести к необратимому повреждению таких компонентов, как фотодиод (ФД) и лавинный фотодиод (ЛФД), что приведёт к снижению чувствительности модуля, увеличению частоты битовых ошибок или даже к полному отказу.

II. Дисбаланс динамического диапазона: «невидимый убийца» качества сигнала

Динамический диапазон оптического модуля — это разница между чувствительностью передачи и приёма. Например, модуль длиной 40 км с динамическим диапазоном 20 дБ (передача +2 дБм, чувствительность приёма -18 дБм) может выдерживать колебания оптической мощности от -18 дБм до +2 дБм. Однако при использовании коротких волоконно-оптических соединений фактическая принимаемая оптическая мощность может превышать верхний предел.
Например, если общие потери в линии составляют 15 дБ, уровень мощности приёмника -13 дБм, даже если он не перегружен, близок к границе динамического диапазона. Эта чрезмерная мощность может вызвать искажение сигнала, усилить межсимвольную интерференцию и увеличить частоту битовых ошибок. При высокоскоростной передаче (выше 10 Гбит/с) частота битовых ошибок может резко возрасти с 10⁻¹² до 10⁻⁹, что приведёт к прерыванию обслуживания.

III. Инженерная практика: опасения по поводу отсутствия запаса прочности

В оптической связи принимаемая оптическая мощность должна быть как минимум на 3 дБ выше чувствительности приёмника (т.е. запаса мощности), чтобы учесть возросшие потери, вызванные такими факторами, как температурные колебания и старение волокна. Например, если чувствительность приёмника модуля составляет -24 дБм, фактическая принимаемая оптическая мощность должна находиться в пределах -21 дБм.
Однако при прямом подключении модуля дальней связи к оптоволокну короткой связи этот запас прочности может быть потерян. Например, если модуль длиной 100 км подключен к оптоволокну длиной 50 км с мощностью передачи +3 дБм, общими потерями 11 дБ и мощностью приёма -8 дБ, это может показаться безопасным с запасом 16 дБ. Однако, если потери в волокне уменьшатся на 2 дБ, принимаемая оптическая мощность увеличится до -6 дБм, что приведёт к снижению производительности устройства при длительной эксплуатации.

IV. Аттенюатор: «регулирующий клапан» оптической мощности

Для решения вышеперечисленных задач оптический аттенюатор является необходимым компонентом для соединения модулей дальней связи с оптическими волокнами короткой связи. Его функции заключаются в следующем:

1. Управление мощностью: уменьшите принимаемую оптическую мощность до безопасного диапазона, например, от -2 дБм до -8 дБм, чтобы избежать повреждений от перегрузки.

2. Оптимизация сигнала: отрегулируйте оптическую мощность по центру динамического диапазона, например, ослабив от -13 дБм до -18 дБм, чтобы уменьшить искажения.

3. Резервирование запаса: зарезервируйте более 3 дБ пространства для регулировки мощности, чтобы система могла справиться с будущим увеличением потерь мощности.

Например, модуль длиной 40 км, подключенный к оптоволокну длиной 10 км, имеет мощность передачи +2 дБм, общие потери 3 дБ и мощность приема -1 дБм. После установки аттенюатора на 10 дБ мощность принимаемого оптического сигнала падает до -11 дБм, что ниже порога перегрузки, но выше чувствительности приемника. Это оставляет запас мощности 7 дБ, что обеспечивает долговременную стабильную работу системы.

Заключение : Неизбежный переход от «прямого подключения» к «управляемому»

Риски прямого подключения оптических модулей большой дальности к оптоволоконным линиям малой дальности обусловлены, главным образом, несбалансированным управлением оптической мощностью. По мере развития оптических систем связи в сторону более высоких скоростей и увеличения расстояний разрыв между мощностью передачи и чувствительностью приёмника оптических модулей увеличивается, что требует ещё более высокой точности управления мощностью.
Правильное использование оптических аттенюаторов обеспечивает точное управление оптической мощностью, защиту приёмных компонентов, оптимизацию качества сигнала и повышение надёжности и стабильности сети. Это важный инженерный выбор, отражающий принцип «безопасность прежде всего» в оптической связи.