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

    密集波分復(fù)用 (DWDM) 技術(shù)的出現(xiàn)為電信服務(wù)提供商提供了一種關(guān)鍵性戰(zhàn)略解決方案。該技術(shù)能夠提供可擴(kuò)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(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。近期涌現(xiàn)的一批技術(shù)，如可重新配置的光分插復(fù)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(cè)試的執(zhí)行方式，例如光信噪比 (OSNR)。在評(píng)估光譜鑒定工具是否具有持續(xù)滿足未來需求的能力時(shí)，應(yīng)考慮前面所列的各項(xiàng)功能。

    DWDM 技術(shù)還要求測(cè)試設(shè)備制造商設(shè)計(jì)出的儀器在現(xiàn)場(chǎng)和在實(shí)驗(yàn)室中的性能同樣出色?，F(xiàn)場(chǎng)儀器除了應(yīng)具有較高的規(guī)格外，它還應(yīng)易于操作，即使網(wǎng)絡(luò)管理者幾乎沒有時(shí)間掌握這些新工具也沒問題。

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

    測(cè)量原理
    OSA 能將光波信號(hào)按其各組成部分的波長進(jìn)行分離，從而可在特定波長范圍內(nèi)查看信號(hào)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(gè)信號(hào)分開，按通道分析光信號(hào)及其與其它波長的交互。

 
圖 1. 典型 OSA 曲線

    在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)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(gè)分散性單元，其表面帶有大量平行細(xì)線，可用于將光信號(hào)分離或衍射成光譜。一旦信號(hào)發(fā)生衍射，就可以將檢測(cè)器對(duì)準(zhǔn)衍射光譜的特定位置以測(cè)量任何給定波長的功率。要測(cè)量另一個(gè)波長，檢測(cè)器就必須重新對(duì)準(zhǔn)另一個(gè)波長位置，依此類推。

    圖 2 描述了使用固定檢測(cè)器的最簡單的 OSA 裝置 — 單通單色器。如今的 OSA 制造商已改進(jìn)了基本設(shè)計(jì)，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(cè)方法。

 
圖 2. 簡單的 OSA 設(shè)計(jì)

 

 

    關(guān)鍵的 OSA 規(guī)格
    可接受的 OSA 動(dòng)態(tài)范圍是多少？為什么具有寬廣的波長范圍是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)？分辨率帶寬為什么很重要？對(duì)這些問題的解答很大程度上取決于用戶的特殊需求、標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體制定的規(guī)則以及 DWDM 的行業(yè)趨勢(shì)。

    在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商看來，OSA 設(shè)備應(yīng)具備便于攜帶、堅(jiān)固和易于使用的特性。另外，其光學(xué)性能必須符合現(xiàn)今的要求，且能夠適應(yīng)可預(yù)見的未來發(fā)展，以避免很快遭到淘汰。此外，下一代網(wǎng)絡(luò)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(gè)經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的 OSA，具備帶內(nèi) OSNR 測(cè)量能力是個(gè)必要條件。

 

    光抑制比
    OSA 的光抑制比 (ORR) 性能決定了它測(cè)量接近峰值的低水平信號(hào)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(yīng)的峰值功率之比（單位是：dB）。為了以所需精度充分測(cè)量 OSNR，IEC 61280-2-9 建議所需的 ORR 在噪聲測(cè)量位置（中心通道）應(yīng)比待測(cè)的 OSNR 至少低 10 dB。例如，要測(cè)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(cè)量的不確定性低于 0.42 dB。

    在圖 3 中，顯示的是測(cè)量相同信號(hào)的兩條 OSA 曲線對(duì)比。藍(lán)色曲線（上方曲線）是來自 ORR 規(guī)格較差的一臺(tái) OSA，紅色曲線（下方曲線）是來自 ORR 規(guī)格較好的一臺(tái) OSA。如果多個(gè)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(hào)輪廓的大部分光譜細(xì)節(jié)。

 
       圖4. ORR 對(duì)系統(tǒng)識(shí)別的影響

    OSA 用戶最關(guān)心的是得到光譜輪廓的清晰圖象。如果設(shè)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(cè)試設(shè)備限制，而非信號(hào)的光行為。

 

 

    顯然，通道數(shù)的增加和通道間距的減小是改進(jìn) ORR 和功率測(cè)量規(guī)格的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)力，但另一個(gè)重要因素是每個(gè)系統(tǒng)通道上的時(shí)分復(fù)用 (TDM) 位速率。

    系統(tǒng)集成商和制造商有義務(wù)提供既滿足目前需要又已為將來升級(jí)作好了準(zhǔn)備的系統(tǒng)。正是由于此責(zé)任的存在，他們采用了更為嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)范圍和 ORR 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備在未來不會(huì)過時(shí)。一般而言，在不同情況下系統(tǒng)集成商需檢查的 OSNR 級(jí)別從 21dB 高至 35dB 以上。頂級(jí)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(jìn)行表征。

    寬功率動(dòng)態(tài)范圍
    寬功率動(dòng)態(tài)范圍規(guī)格反映了 OSA 中的光學(xué)檢測(cè)器對(duì) WDM 應(yīng)用所要求的所有不同功率級(jí)別進(jìn)行有效測(cè)量的能力。具有寬動(dòng)態(tài)范圍的儀器在相同的取樣中，能準(zhǔn)確地測(cè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路越來越長，無論是為了發(fā)射信號(hào)或是為了讓信號(hào)通過放大器點(diǎn)后可傳送到較遠(yuǎn)的距離，都必須使用更高的功率級(jí)別。但是，由于長距離上的累積損耗，信號(hào)的峰值功率在接近鏈路末端時(shí)已很微弱。這種情況下，根據(jù) DWDM 系統(tǒng)檢查點(diǎn)不同，需要測(cè)量高低兩個(gè)功率值。在進(jìn)行單個(gè)系統(tǒng)組件故障診斷時(shí)也需要測(cè)量低功率值。在這一過程中，測(cè)試點(diǎn)只能提取總功率的一小部分。

    測(cè)量耦合器、濾光器及光多路復(fù)用器 (MUX) 和多路信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍的 OSA 應(yīng)用范圍更加廣泛，因?yàn)樗瓤梢杂糜谙到y(tǒng)級(jí)測(cè)試，也可以用于器件級(jí)測(cè)試。隨著 WDM 技術(shù)的應(yīng)用拓展到城域網(wǎng)絡(luò)甚至是接入網(wǎng)，使得需要現(xiàn)場(chǎng)安裝的光學(xué)器件的數(shù)量激增，導(dǎo)致在工廠和研究實(shí)驗(yàn)室之外進(jìn)行可靠元件測(cè)試的需求增加。

    帶內(nèi) OSNR
    目前，許多高帶寬網(wǎng)絡(luò)正得到升級(jí)，以在其中加入可重新配置的光學(xué)分插復(fù)用器 (ROADM)，從而提高效率和靈活性。使用 ROADM 的網(wǎng)絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)略有不同：實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)（運(yùn)行于多種波長和高數(shù)據(jù)速率的）中的一個(gè)微小故障即可導(dǎo)致系統(tǒng)損失相當(dāng)多的數(shù)據(jù)，不僅嚴(yán)重影響總體服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 而且也影響成本，因此精確測(cè)量 OSNR 顯得尤為重要。

    傳統(tǒng)上，測(cè)量 OSNR 的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)如下：根據(jù) DWDM 通道之間的通道間噪聲級(jí)別的基本插值推導(dǎo)得出 OSNR（如 IEC 子系統(tǒng)測(cè)試步驟 61280-2-9 中建議的方法）；這稱為“帶外”技術(shù)。然而，帶外技術(shù)在可重新配置的網(wǎng)絡(luò)中不再有效，因?yàn)?ROADM 中的光過濾會(huì)消除通道間的噪聲。因此，帶內(nèi) OSNR 測(cè)量技術(shù)對(duì)于在可重新配置網(wǎng)絡(luò)中精確測(cè)量 OSNR 變得至關(guān)重要；此外，基于 IEC 61280-2-9 步驟進(jìn)行測(cè)量的光譜分析儀會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤。

    圖 5 顯示了使用傳統(tǒng)方法在 12 通道所測(cè)得的噪音值被低估大約 15 dB 的案例。EXFO 全新設(shè)計(jì)的 OSA 旨在依據(jù)噪聲（非偏振）和信號(hào)（高度偏振）的偏振屬性以及我們的偏振分集法來準(zhǔn)確測(cè)量通道內(nèi)噪聲（帶內(nèi)噪聲）。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問我們網(wǎng)站的文獻(xiàn)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(hào)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(gè)通道，因?yàn)樵摬ǘ握怯行褂脫姐s光纖放大器的波長范圍。依據(jù) ITU-T 建議標(biāo)準(zhǔn) G.692，這是波長為 1530 nm 至 1565 nm 的的光譜段。對(duì)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(gè)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(shù)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(shù)的新發(fā)展趨勢(shì)中，間隔 5 nm 的四個(gè)信號(hào)（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(jī)模塊的輸出處進(jìn)行多路復(fù)用。圖 6 顯示了標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)樵谙到y(tǒng)未來各種可能演進(jìn)情況下它都能進(jìn)行測(cè)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(jìn)行測(cè)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(gè)波長間隔很近的光信號(hào)分離的能力。該規(guī)格主要由 OSA 內(nèi)部光學(xué)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（?。?。一流的 OSA 設(shè)備采用雙通結(jié)構(gòu)，加上高質(zhì)量的衍射光柵，可以取得良好的分辨率帶寬。

    測(cè)量小間隔通道之間的 OSNR 時(shí)，小至 0.03 nm 左右的分辨帶寬結(jié)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(qiáng)的銳截止特性（幾乎是正方形）。在測(cè)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(shí)，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(chǎng)應(yīng)用和便攜性
    帶寬需求的快速增長使 WDM 技術(shù)很快走出實(shí)驗(yàn)室，隨之而來的是對(duì)適宜于外線工程環(huán)境的高性能測(cè)量儀器的需求。OSA 是 DWDM 網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)工作最主要的儀器；它被應(yīng)用于各種場(chǎng)合，網(wǎng)絡(luò)中的不同點(diǎn)及與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相去甚遠(yuǎn)的極端環(huán)境。

    如今大多數(shù)高性能的 OSA 都是為研究而設(shè)計(jì)安裝的臺(tái)式儀器。他們是用于受控環(huán)境并由有經(jīng)驗(yàn)的用戶使用的精密儀器。并且，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)便攜式 OSA 都削減了光學(xué)性能，以提供實(shí)用的測(cè)試解決方案。

    眾多的光學(xué)器件和微米精度的機(jī)械部件是 OSA 的核心。這些元件之間的任何機(jī)械調(diào)整偏差都將會(huì)直接導(dǎo)致儀器光學(xué)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(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還應(yīng)該通過 Bellcore (Telcordia) 跌落測(cè)試，而不降低它的規(guī)格。

    增值功能
    隨著 DWDM 測(cè)試測(cè)量技術(shù)的演進(jìn)，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(duì)生產(chǎn)率、測(cè)試速度、數(shù)據(jù)管理和功能多樣化產(chǎn)生影響。

    現(xiàn)場(chǎng)軟件
    傳統(tǒng)上，OSA 繼承了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的復(fù)雜軟件。而適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的 OSA 用戶界面更加簡潔，包括自動(dòng)測(cè)試和逐步簡化的測(cè)試步驟、通過/未通過標(biāo)準(zhǔn)以及集成式的報(bào)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(dòng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有通道、預(yù)先載入完整的測(cè)試參數(shù)設(shè)置、通過/未通過標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)保存和報(bào)告等功能，確保了即使完全不懂技術(shù)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(jìn)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(jié)論
    隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)向光纖技術(shù)遷移，DWDM 系統(tǒng)變得無所不在。因此，對(duì)功能強(qiáng)大的便攜式 OSA 設(shè)備的需求十分迫切。OSA 成為了在制造和試運(yùn)行階段快速檢查光網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要儀器。OSA 用戶只有充分理解該儀器的優(yōu)點(diǎn)和局限性，才能在選擇儀器時(shí)作出有理有據(jù)的判斷。而對(duì)于 OSA 的制造商而言，只有了解了 DWDM 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和用戶的實(shí)際要求，才能生產(chǎn)出適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)的模塊化儀器。新一代 OSA 在為當(dāng)前和未來的系統(tǒng)提供頂級(jí)測(cè)試能力的同時(shí)，可提高生產(chǎn)率并保護(hù)用戶的投資。

    圖 6. 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的光譜衰減輪廓圖。C 波段由 ITU 定義，而關(guān)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(jí)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)