光譜分析儀開發(fā)光纖鏈路解析方案 - 全文

　　光譜分析儀（OSA）最初用于測量光信號的功率譜。在引入了波分復(fù)用 （WDM）之后，光譜分析儀得到普及，因為標(biāo)準(zhǔn)功率計無法區(qū)分多個波長（通道下的光功率）。然而，盡管大多數(shù)人都熟悉OSA 的典型應(yīng)用，即對網(wǎng)絡(luò)進行故障排除或者測量通道功率和噪聲級別，但是由于種種原因，這些獨特的測量設(shè)備仍未獲得市場的廣泛認(rèn)可。其中一個原因是，OSA 的真實能力在某種程度上被低估，尤其是在嘗試將光纖跨段最大化這一方面。

　　本文將介紹光信噪比（OSNR）的概念及其重要性，以及網(wǎng)絡(luò)的OSNR 不佳所造成的后果，同時還將介紹目前市場中出現(xiàn)的 OSA，最后將說明如何使用OSA 來充分開發(fā)光纖鏈路。

　　光信噪比

　　OSNR 的概念在鑒定 WDM 網(wǎng)絡(luò)方面至關(guān)重要。它能夠定量檢測信號沿光纖傳播途中，被噪聲干擾的程度。計算方法是將信號總功率除以 0.1 nm 帶寬中的噪聲功率。圖 1 示出了 OSA 測量的典型信號，其功率約為 -22 dBm，背景噪聲約為 -46 dBm;因此，該示例中 OSNR 約為 24 dB。

　　圖 1. 光信噪比 （OSNR） 示例

　　OSNR 的重要性

　　為何測量 OSNR 很重要？OSNR 與誤碼率 （BER） 之間存在直接關(guān)系，其中 BER 是衡量傳輸質(zhì)量的終極值。如圖 2 中所詳述，OSNR 越高則誤碼率越低，也即傳輸錯誤越少。相反，OSNR 較低（或較差）可能會增加維修用車、降低服務(wù)質(zhì)量 （QoS）（請參閱圖 3）。

　　圖 2. OSNR、BER 和 QoS 之間的關(guān)系

　　圖 3. OSNR 較低（或較差）的影響

　　網(wǎng)絡(luò)的 OSNR

　　探討 OSNR 隨著信號在光纖中傳播所發(fā)生的變化十分有趣。圖 4 顯示了一種典型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，由在一條光纖上復(fù)用的八個波長組成。（請注意，在傳播路徑中使用了四個摻鉺光纖放大器 （EDFA） 來提升信號功率。）如圖所示，每個 EDFA 都會放大已經(jīng)存在的信號和噪聲，同時自身也會產(chǎn)生噪聲。因此，OSNR 在信號相繼通過放大器后會下降。由于 OSNR 隨距離變化，所以通常會在網(wǎng)絡(luò)的不同位置監(jiān)測 OSNR，而不僅僅是在發(fā)送器端和接收器端監(jiān)測。

　　圖 4. 在光纖中傳播時 OSNR 的演進

　　網(wǎng)絡(luò)中的噪聲源

　　EDFA 是網(wǎng)絡(luò)中的主要噪聲源，來自稱為“放大自發(fā)輻射”（ASE） 的過程。典型的 EDFA 包含激光器（稱為“泵浦”源），如果工作在 980 nm波長，則將鉺離子從基態(tài) L1 激發(fā)至 L3（請參閱圖 5）;如果工作在 1480 nm 波長，則從 L1 激發(fā)至 L2。處于 L3 的離子很快就衰變到 L2。如果光纖中有 1550 nm 的信號通過，則信號光子會激發(fā)能級 L2 的離子下降到 L1，產(chǎn)生一個與信號光子具有相同波長，相同傳播方向的新光子。信號因而會通過受激輻射得到放大。鉺離子也可以通過自發(fā)輻射從 能級 L2 衰減至 L1，這種情況會隨機發(fā)生并產(chǎn)生光子。這些光子同樣能夠使鉺離子產(chǎn)生受激輻射，并得到放大，從而導(dǎo)致 ASE 噪聲。相應(yīng)地，每個 EDFA 都會因為其 ASE 而降低已放大信號的 OSNR。如果信號相繼通過多個 EDFA，則第一個 EDFA 通常會導(dǎo)致 OSNR 下降約 3 dB，之后的 EDFA 導(dǎo)致的 OSNR 下降量少于 3 dB。

　　圖 5. EDFA 中的自發(fā)輻射和受激輻射

　　市場中當(dāng)前出現(xiàn)的 OSA

　　在典型的激活和試運行過程中，現(xiàn)場技術(shù)人員可能會首先使用光纖探測器來確認(rèn)連接器是否清潔，然后使用功率計測試光纖中的損耗。如果損耗大于通過值，則現(xiàn)場技術(shù)人員會使用光時域反射儀 （OTDR） 來查找故障，而測試順序的最后一步通常是 BER 測試。然后，服務(wù)開通團隊會打開發(fā)送器并執(zhí)行 OSA 測量，以檢查每個通道的中心波長和功率級別，在某些情況下也會檢查 OSNR。在這種情況下，在冗長的要執(zhí)行的測試列表中，OSA 測量可能會被視為用處不大的額外測量。事實上，這種錯誤假設(shè)忽視了 OSA 在充分利用光纖網(wǎng)絡(luò)方面的真正價值。

　　如何使用 OSA 將網(wǎng)絡(luò)的潛力最大化

　　網(wǎng)絡(luò)性能評估的最緊要的一套指標(biāo)（通道平坦度、最小功率等）里，OSA 是極少數(shù)能夠發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)最大潛力的測量工具之一。使用 OSA 可以執(zhí)行以下三項操作來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能：增加通道數(shù)量;增加數(shù)據(jù)速率;在實驗室中測試不同網(wǎng)絡(luò)配置。

　　通過測量 OSNR、通道間距和信號光譜寬度，OSA 允許網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員判斷是否能夠增加通道數(shù)量（圖 6）。假設(shè)網(wǎng)元可以處理更緊密的通道間距（例如，考慮復(fù)用/解復(fù)用），那么增加額外的通道可以輕松增加光纖徑距的帶寬。

　　圖 6. 使用 OSA 判斷是否可以增加通道數(shù)量

　　第二，OSA 使得技術(shù)人員能夠判斷是否可以增加光纖徑距的數(shù)據(jù)速率，因為它可以測量信號的光譜寬度。眾所周知，信號的光譜寬度隨著數(shù)據(jù)速率的增加而增加。例如，如果 10 Gbits/s 通道在圖 7 中顯示為黑色，則數(shù)據(jù)速率可以增加至 40 Gbit/s（以紅色顯示）而不會影響網(wǎng)絡(luò)性能，只要在色度色散 （CD） 和偏振模色散 （PMD） 的容限內(nèi)。重要的是要確保更大的光譜寬度不會導(dǎo)致通道重疊，否則可能會增加 BER。因此，更高的數(shù)據(jù)速率會進一步優(yōu)化光纖容量的使用。

　　圖 7. 使用 OSA 判斷是否可以增加數(shù)據(jù)速率

　　10 Gbit/s 的通道顯示為黑色，而 40 Gbit/s 的通道顯示為紅色。

　　通過 OSA 充分利用網(wǎng)絡(luò)潛力的第三種方式是，允許在實驗室環(huán)境中測試不同網(wǎng)絡(luò)配置。事實上，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者/規(guī)劃者希望在推出之前（于實驗室中）評估放大器的數(shù)量、位置和增益以及色散補償器的位置、通過 ROADM 分插波長等原因?qū)W(wǎng)絡(luò)造成的影響。OSA 是唯一一款能夠從全局角度反映所有這些因素在光學(xué)層上所造成的后果的儀器，同時還能夠識別可能的問題以及可以改善的領(lǐng)域。

　　結(jié)論

　　OSA 是一款功能強大的測量設(shè)備，可以測量 OSNR 并鑒定光纖鏈路，因為 OSNR 與 BER 直接相關(guān)。OSNR 不佳會增加維修用車、延長停機時間等，從而對網(wǎng)絡(luò)造成負面影響。除此之外，使用 OSA 可以通過增加通道數(shù)量、提升數(shù)據(jù)速率或測試不同網(wǎng)絡(luò)配置來充分利用網(wǎng)絡(luò)容量。