3. 光层设备集成中的光路设计与预算

光层设备集成中，光路设计不是“把设备连起来”那么简单，而是要在发射机输出到接收机输入之间，把光功率、信噪比和非线性失真同时控制在可接受范围内。预算的本质是回答三个问题：信号到达接收端时还剩多少功率？沿途引入了多少噪声？光纤中积累的非线性是否已经让信号失真到无法判决？本节围绕链路损耗、增益、噪声和非线性四类预算，结合城域与长途两类典型场景，给出可执行的规划方法。

一、预算的参照点与方向约定

为避免正负号混乱，本节统一约定：以发射机输出参考点（OTU 输出或 OA 输出）为起点，沿信号传播方向逐段累加。损耗记为负值，增益记为正值，最终得到接收端光功率 P_rx。接收灵敏度 P_sens 与过载点 P_sat 构成接收窗口，要求 P_sens + 余量 ≤ P_rx ≤ P_sat − 余量。工程上通常预留 3 dB 老化与维修余量，城域短距可留 2 dB，长途建议 3～4 dB。

二、链路损耗预算

链路损耗由光纤衰减、连接器/熔接点损耗、无源器件插损和光纤富余组成。G.652D 在 1550 nm 典型衰减 0.20 dB/km，G.655 约 0.22 dB/km。每个熔接点按 0.05～0.1 dB，活动连接器按 0.3～0.5 dB，WSS 插损约 5～7 dB，OA 之间的跳线按 0.5 dB 计。光纤富余按 0.05 dB/km 或每段 1 dB 取较大者。

以城域 80 km 链路为例：光纤衰减 80×0.20=16 dB，熔接点 8 个×0.08=0.64 dB，两端连接器 2×0.4=0.8 dB，中间一个 OADM 插损 6 dB，富余 80×0.05=4 dB，合计约 27.4 dB。若发射功率 +3 dBm，则接收约 −24.4 dBm，对典型 PIN 接收灵敏度 −28 dBm 仍有 3.6 dB 余量，可不开放大。若换成 200 km 长途，损耗约 200×0.20+16×0.08+0.8+6+10=60.9 dB，接收将跌至 −57.9 dBm，必须引入光放大。

三、增益与功率规划

增益预算的目标是让每个 OA 工作在合适输入功率区间，同时不使下游接收过载。EDFA 增益 G 与输出功率 P_out、输入功率 P_in 满足 P_out = P_in + G。单波输入建议 −20～−10 dBm，多波总功率需按波数折算。若 40 波、单波 −18 dBm，则总输入约 −2 dBm，此时 EDFA 进入饱和，单波增益被压缩，必须用增益平坦或降低单波功率。

长途链路常采用“每跨一放”结构：跨段损耗 22 dB，则 OA 增益设为 22 dB，输出 +3 dBm/波，下一跨输入 −19 dBm/波，处于线性区。若某跨损耗 30 dB，增益仍设 22 dB，则下游输入降至 −27 dBm，OSNR 恶化；此时应提高该段增益或缩短跨距。功率规划的核心是让每段 P_in 落在 OA 的线性增益区，并保证接收端单波功率在 −18～−8 dBm。

四、噪声预算与 OSNR 级联

噪声预算的核心是 OSNR。单级 OA 的 OSNR 由输出功率、噪声系数 NF 和带宽决定：OSNR = P_out − NF − 10·log₁₀(h·ν·Δf)，在 1550 nm、0.1 nm 带宽下，10·log₁₀(h·ν·Δf) ≈ −58 dBm。若 OA 输出 +3 dBm、NF=5 dB，则单级 OSNR ≈ 56 dB。多级级联时，总 OSNR 按倒数累加：1/OSNR_total = Σ 1/OSNR_i。两级各 56 dB，总 OSNR 约 53 dB；若某级输入过低导致 NF 恶化到 8 dB，该级 OSNR 降至 53 dB，总 OSNR 约 50 dB。

接收端 OSNR 需求取决于调制格式与 FEC。100G PM-QPSK 软判 FEC 门限约 12～14 dB，200G 16QAM 约 18～20 dB。规划时应保证最坏波道 OSNR 高于门限 3 dB 以上。城域 80 km 无放大时 OSNR 主要由发射机决定，通常大于 40 dB，不是瓶颈；长途多级放大后 OSNR 才是主要约束。

五、非线性效应预算

非线性主要来自入纤功率过高。SPM 造成脉冲展宽，XPM 使相邻波道相互调制，FWM 在等间隔波道产生新频率分量。工程上以“单波入纤功率”作为控制量：G.652 在 C 波段、50 GHz 栅格下，单波建议不超过 +3 dBm；若波数少、跨距短，可放宽到 +5 dBm；若波数多、跨距长，应压到 0 dBm 以下。同时控制总功率，40 波系统总入纤功率不宜超过 +16 dBm。

非线性与 OSNR 存在折中：提高入纤功率可改善 OSNR，但会加剧非线性。实际规划中先按 OSNR 门限确定最小入纤功率，再按非线性门限确定最大入纤功率，两者交集即为可行区间。若交集为空，则需减少跨距、降低波数或改用更大有效面积的 G.654 光纤。

六、城域与长途规划要点

城域场景跨距短、节点多、波数少，预算重点在插损和过载。OADM 级联会累积插损，需核算每个节点后是否仍需放大；接收端要防止 OA 输出过高导致 PIN 过载。长途场景跨距长、放大级数多，预算重点在 OSNR 和非线性。每跨损耗应尽量均匀，避免某跨过大导致下游 OA 输入过低、NF 恶化。规划时先做损耗表，再做 OSNR 表，最后校验非线性门限，三步闭环。

七、可执行的预算表模板

下表为单波道预算示例，实际使用时按波道逐一填写，取最坏波道作为设计依据。

该示例中接收功率 −7 dBm 落在典型接收窗口内，OSNR 53 dB 远高于 100G 门限，入纤功率 +1 dBm 低于非线性门限，三项均通过。若把跨段 2 改为 120 km，损耗增加 4 dB，接收降至 −11 dBm，OSNR 降至约 51 dB，仍在可接受范围，但余量收窄，需复核老化余量。若继续增加到 150 km，接收约 −17 dBm，OSNR 约 48 dB，此时应增加一级放大或缩短跨距。通过这种逐段推演，可以在设备到场前判断方案是否可行，并提前确定 OA 增益、位置和波道功率设置。