具備帶內(nèi)OSNR功能的新型OSA：下一代網(wǎng)絡的強大工具

    密集波分復用 (DWDM) 技術的出現(xiàn)為電信服務提供商提供了一種關鍵性戰(zhàn)略解決方案。該技術能夠提供可擴展帶寬，克服多數(shù)光纖帶寬耗盡的情況，處理不同的數(shù)據(jù)格式和比特率，還能夠以合理的成本輕松集成到當前的網(wǎng)絡架構中。近期涌現(xiàn)的一批技術，如可重新配置的光分插復用器 (ROADM) 和新的 40 Gbit/s 或 100 Gbit/s 高速調(diào)制格式，已經(jīng)改變了某些測試的執(zhí)行方式，例如光信噪比 (OSNR)。在評估光譜鑒定工具是否具有持續(xù)滿足未來需求的能力時，應考慮前面所列的各項功能。

    DWDM 技術還要求測試設備制造商設計出的儀器在現(xiàn)場和在實驗室中的性能同樣出色。現(xiàn)場儀器除了應具有較高的規(guī)格外，它還應易于操作，即使網(wǎng)絡管理者幾乎沒有時間掌握這些新工具也沒問題。

    便攜式光譜分析儀 (OSA) 能夠測量 DWDM 系統(tǒng)中最重要的參數(shù)。該儀器可在網(wǎng)絡鏈路的安裝、試運行、升級、維護和故障診斷期間使用。OSA 還可用于持續(xù)監(jiān)測 DWDM 信號的關鍵參數(shù)，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；因此，該儀器在確保 DWDM 系統(tǒng)正常運行方面起著至關重要的作用。

    測量原理
    OSA 能將光波信號按其各組成部分的波長進行分離，從而可在特定波長范圍內(nèi)查看信號的光譜輪廓圖。以圖形形式顯示的輪廓圖上橫軸表示波長，縱軸表示功率，如圖 1 所示。這樣，可以將 DWDM 系統(tǒng)中單根光纖上組合的多個信號分開，按通道分析光信號及其與其它波長的交互。

 
圖 1. 典型 OSA 曲線

    在現(xiàn)場測試應用方面，衍射光柵是將光波分割為其組成部分（單色光）的首選方法。根據(jù)定義，衍射光柵是一個分散性單元，其表面帶有大量平行細線，可用于將光信號分離或衍射成光譜。一旦信號發(fā)生衍射，就可以將檢測器對準衍射光譜的特定位置以測量任何給定波長的功率。要測量另一個波長，檢測器就必須重新對準另一個波長位置，依此類推。

    圖 2 描述了使用固定檢測器的最簡單的 OSA 裝置 — 單通單色器。如今的 OSA 制造商已改進了基本設計，使用了新的色散光柵排列、多路徑方案和更優(yōu)秀的功率檢測方法。

 
圖 2. 簡單的 OSA 設計

 

 

    關鍵的 OSA 規(guī)格
    可接受的 OSA 動態(tài)范圍是多少？為什么具有寬廣的波長范圍是一個優(yōu)點？分辨率帶寬為什么很重要？對這些問題的解答很大程度上取決于用戶的特殊需求、標準化團體制定的規(guī)則以及 DWDM 的行業(yè)趨勢。

    在網(wǎng)絡運營商看來，OSA 設備應具備便于攜帶、堅固和易于使用的特性。另外，其光學性能必須符合現(xiàn)今的要求，且能夠適應可預見的未來發(fā)展，以避免很快遭到淘汰。此外，下一代網(wǎng)絡的推出（包括 ROADM、40 Gbit/s 乃至 100 Gbit/s 的調(diào)制格式）又有新的功能要求。如果您想要尋找一個經(jīng)得起時間考驗的 OSA，具備帶內(nèi) OSNR 測量能力是個必要條件。

 

    光抑制比
    OSA 的光抑制比 (ORR) 性能決定了它測量接近峰值的低水平信號的能力；光抑制比的定義為在偏離峰值給定距離 (Δλ) 上的功率與給定窄輸入的 OSA 濾光器響應的峰值功率之比（單位是：dB）。為了以所需精度充分測量 OSNR，IEC 61280-2-9 建議所需的 ORR 在噪聲測量位置（中心通道）應比待測的 OSNR 至少低 10 dB。例如，要測量在 0.2 nm 處 25 dB 的 OSNR（1550 nm 附近 0.2 nm 是 25 GHz，這是間隔為 50 GHz 的通道集的中心通道間距），則儀器在 0.2 nm 處的 ORR 必須至少為 35 dB，以確保 OSNR 測量的不確定性低于 0.42 dB。

    在圖 3 中，顯示的是測量相同信號的兩條 OSA 曲線對比。藍色曲線（上方曲線）是來自 ORR 規(guī)格較差的一臺 OSA，紅色曲線（下方曲線）是來自 ORR 規(guī)格較好的一臺 OSA。如果多個通道相隔很近（如 50GHz），良好 ORR 的重要性就顯而易見了。

 
圖 3. 光抑制比

    從圖 4 可以清楚地看出：上方曲線的 ORR 局限隱藏了 DWDM 信號輪廓的大部分光譜細節(jié)。

 
       圖4. ORR 對系統(tǒng)識別的影響

    OSA 用戶最關心的是得到光譜輪廓的清晰圖象。如果設備的 ORR 小于系統(tǒng)的光信噪比 (OSNR)，用戶得到的曲線是顯示測試設備限制，而非信號的光行為。

 

 

    顯然，通道數(shù)的增加和通道間距的減小是改進 ORR 和功率測量規(guī)格的強勁驅(qū)動力，但另一個重要因素是每個系統(tǒng)通道上的時分復用 (TDM) 位速率。

    系統(tǒng)集成商和制造商有義務提供既滿足目前需要又已為將來升級作好了準備的系統(tǒng)。正是由于此責任的存在，他們采用了更為嚴格的動態(tài)范圍和 ORR 標準，該標準在 DWDM 系統(tǒng)鑒定過程中考慮了所需的額外容限；這樣，就可以保證他們的設備在未來不會過時。一般而言，在不同情況下系統(tǒng)集成商需檢查的 OSNR 級別從 21dB 高至 35dB 以上。頂級的 OSA 可保證距離峰值 0.4 nm 處（大約至 50 GHz）的 ORR 至少為 50 dBc，這使得它在所有情況下都能夠精確地進行表征。

    寬功率動態(tài)范圍
    寬功率動態(tài)范圍規(guī)格反映了 OSA 中的光學檢測器對 WDM 應用所要求的所有不同功率級別進行有效測量的能力。具有寬動態(tài)范圍的儀器在相同的取樣中，能準確地測量出較高功率值和較低噪聲下限，從而繪制出更加清晰的光譜圖。

    由于 DWDM 點對點鏈路越來越長，無論是為了發(fā)射信號或是為了讓信號通過放大器點后可傳送到較遠的距離，都必須使用更高的功率級別。但是，由于長距離上的累積損耗，信號的峰值功率在接近鏈路末端時已很微弱。這種情況下，根據(jù) DWDM 系統(tǒng)檢查點不同，需要測量高低兩個功率值。在進行單個系統(tǒng)組件故障診斷時也需要測量低功率值。在這一過程中，測試點只能提取總功率的一小部分。

    測量耦合器、濾光器及光多路復用器 (MUX) 和多路信號分解器 (DEMUX) 通道等的插入損耗的功能，要求系統(tǒng)具有低功率靈敏度。因此，具有寬動態(tài)范圍的 OSA 應用范圍更加廣泛，因為它既可以用于系統(tǒng)級測試，也可以用于器件級測試。隨著 WDM 技術的應用拓展到城域網(wǎng)絡甚至是接入網(wǎng)，使得需要現(xiàn)場安裝的光學器件的數(shù)量激增，導致在工廠和研究實驗室之外進行可靠元件測試的需求增加。

    帶內(nèi) OSNR
    目前，許多高帶寬網(wǎng)絡正得到升級，以在其中加入可重新配置的光學分插復用器 (ROADM)，從而提高效率和靈活性。使用 ROADM 的網(wǎng)絡與標準系統(tǒng)略有不同：實時網(wǎng)絡（運行于多種波長和高數(shù)據(jù)速率的）中的一個微小故障即可導致系統(tǒng)損失相當多的數(shù)據(jù)，不僅嚴重影響總體服務質(zhì)量 (QoS) 而且也影響成本，因此精確測量 OSNR 顯得尤為重要。

    傳統(tǒng)上，測量 OSNR 的標準技術如下：根據(jù) DWDM 通道之間的通道間噪聲級別的基本插值推導得出 OSNR（如 IEC 子系統(tǒng)測試步驟 61280-2-9 中建議的方法）；這稱為“帶外”技術。然而，帶外技術在可重新配置的網(wǎng)絡中不再有效，因為 ROADM 中的光過濾會消除通道間的噪聲。因此，帶內(nèi) OSNR 測量技術對于在可重新配置網(wǎng)絡中精確測量 OSNR 變得至關重要；此外，基于 IEC 61280-2-9 步驟進行測量的光譜分析儀會導致嚴重錯誤。

    圖 5 顯示了使用傳統(tǒng)方法在 12 通道所測得的噪音值被低估大約 15 dB 的案例。EXFO 全新設計的 OSA 旨在依據(jù)噪聲（非偏振）和信號（高度偏振）的偏振屬性以及我們的偏振分集法來準確測量通道內(nèi)噪聲（帶內(nèi)噪聲）。有關詳細信息，請訪問我們網(wǎng)站的文獻庫部分。

 

 

    寬波長范圍
    OSA 波長范圍是指其可以分析光譜某一確定部分上的信號的能力。它可表示為納米數(shù)（如 400nm），或通過指出起止波長來表示（如 1250nm - 1650nm）。許多已部署的 WDM 系統(tǒng)都旨在 C 波段上傳送其多個通道，因為該波段正是有效使用摻鉺光纖放大器的波長范圍。依據(jù) ITU-T 建議標準 G.692，這是波長為 1530 nm 至 1565 nm 的的光譜段。對于高通道數(shù)系統(tǒng)來說，使用波長高于 1565 nm 的 L 波段可使系統(tǒng)內(nèi)通道數(shù)增加至 160 個以上。如果在 S 波段 1490 nm（以此為例）和 1310 nm 區(qū)域上增加通道，則證明了需要盡可能地增大波長范圍。在 1310 nm 波長范圍的 40 Gbit/s 和 100 Gbit/s 技術的新發(fā)展是 OSA 明確需要更大波長范圍的另一原因，在該技術的新發(fā)展趨勢中，間隔 5 nm 的四個信號（ITU G.694.1 規(guī)范：1295.56 nm、1300.05 nm、1304.58 nm 和 1309.14 nm）在發(fā)射機模塊的輸出處進行多路復用。圖 6 顯示了標準單模光纖的光譜衰減輪廓圖上的各波段。

 

 

  
    可用于分析所有波段（所有 1250 nm 至 1650 nm 的單模波長）的 OSA 是一種具有前瞻性和多用途的儀器，因為在系統(tǒng)未來各種可能演進情況下它都能進行測試。此外，所有光監(jiān)控通道 (OSC) 波長也能用這種寬波長范圍進行測試，最常見的光監(jiān)控波長是 1510 nm、1625 nm 和 1490 nm。

    小分辨率帶寬
    分辨率帶寬是 OSA 將兩個波長間隔很近的光信號分離的能力。該規(guī)格主要由 OSA 內(nèi)部光學器件的濾光器行為決定，即濾光器的通帶越窄，OSA 的分辨率帶寬越好（?。Ｒ涣鞯?OSA 設備采用雙通結構，加上高質(zhì)量的衍射光柵，可以取得良好的分辨率帶寬。

    測量小間隔通道之間的 OSNR 時，小至 0.03 nm 左右的分辨帶寬結合良好的 ORR 可以提升 OSA 的性能。這種 OSA 能分析通道間距為 25 GHz (0.2 nm) 或更小的 DWDM 系統(tǒng)。理想的濾光器形狀將具有極強的銳截止特性（幾乎是正方形）。在測量 DFB 激光器中的單模抑制比或小間距大功率通道間 OSNR 數(shù)值時，這種濾光器形狀就尤為重要。濾光器圖形越接近方形，濾光器就越好。

    現(xiàn)場應用和便攜性
    帶寬需求的快速增長使 WDM 技術很快走出實驗室，隨之而來的是對適宜于外線工程環(huán)境的高性能測量儀器的需求。OSA 是 DWDM 網(wǎng)絡部署和維護工作最主要的儀器；它被應用于各種場合，網(wǎng)絡中的不同點及與實驗室環(huán)境相去甚遠的極端環(huán)境。

    如今大多數(shù)高性能的 OSA 都是為研究而設計安裝的臺式儀器。他們是用于受控環(huán)境并由有經(jīng)驗的用戶使用的精密儀器。并且，大多數(shù)現(xiàn)場便攜式 OSA 都削減了光學性能，以提供實用的測試解決方案。

    眾多的光學器件和微米精度的機械部件是 OSA 的核心。這些元件之間的任何機械調(diào)整偏差都將會直接導致儀器光學規(guī)格的下降。便攜式 OSA 提供了電池操作，以便在不同情況下都可快速、方便地進行測試。現(xiàn)場設備還應該通過 Bellcore (Telcordia) 跌落測試，而不降低它的規(guī)格。

    增值功能
    隨著 DWDM 測試測量技術的演進，制造商又在其便攜式、高性能儀器中加入了一些功能。這些功能將直接對生產(chǎn)率、測試速度、數(shù)據(jù)管理和功能多樣化產(chǎn)生影響。

    現(xiàn)場軟件
    傳統(tǒng)上，OSA 繼承了實驗室環(huán)境下的復雜軟件。而適合現(xiàn)場測試的 OSA 用戶界面更加簡潔，包括自動測試和逐步簡化的測試步驟、通過/未通過標準以及集成式的報告。這使得所有操作者，不論是新手還是 DWDM 專家，都能得到想要的信息。諸如自動發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有通道、預先載入完整的測試參數(shù)設置、通過/未通過標準以及數(shù)據(jù)保存和報告等功能，確保了即使完全不懂技術的操作者也能夠發(fā)揮出儀器的最大功效。同樣的，使用 USB 工具或以太網(wǎng)鏈接進行數(shù)據(jù)傳輸可以使故障診斷或數(shù)據(jù)后處理變得簡單易行。

    結論
    隨著數(shù)字網(wǎng)絡向光纖技術遷移，DWDM 系統(tǒng)變得無所不在。因此，對功能強大的便攜式 OSA 設備的需求十分迫切。OSA 成為了在制造和試運行階段快速檢查光網(wǎng)絡質(zhì)量的重要儀器。OSA 用戶只有充分理解該儀器的優(yōu)點和局限性，才能在選擇儀器時作出有理有據(jù)的判斷。而對于 OSA 的制造商而言，只有了解了 DWDM 技術的發(fā)展趨勢和用戶的實際要求，才能生產(chǎn)出適合現(xiàn)場測試、經(jīng)得起時間考驗的模塊化儀器。新一代 OSA 在為當前和未來的系統(tǒng)提供頂級測試能力的同時，可提高生產(chǎn)率并保護用戶的投資。

    圖 6. 標準單模光纖的光譜衰減輪廓圖。C 波段由 ITU 定義，而關于 S 波段和 L 波段的范圍，各制造商的定義不盡相同

    圖 5. 在 ROADM 輸出處獲取的 OSA 曲線，其中通道 10、11 和 12 的曲線清楚地顯示出濾光器 ASE 噪聲的噪聲級別約為 -38 dBm，而沿不同通道傳輸?shù)耐ǖ?13 的曲線顯示出低得多的噪聲值 (-53 dBm)