如何通過(guò)光譜分析儀充分利用現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)的潛力

光譜分析儀 (OSA) 最初用于測(cè)量光信號(hào)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?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)功率計(jì)無(wú)法區(qū)分多個(gè)波長(zhǎng)（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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障排除或者測(cè)量通道功率和噪聲級(jí)別，但是由于種種原因，這些獨(dú)特的測(cè)量設(shè)備仍未獲得市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。其中一個(gè)原因是，OSA 的真實(shí)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(shí)還將介紹目前市場(chǎng)中出現(xiàn)的 OSA，最后將說(shuō)明如何使用 OSA 來(lái)充分開(kāi)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(cè)信號(hào)沿光纖傳播途中，被噪聲干擾的程度。計(jì)算方法是將信號(hào)總功率除以 0.1 nm 帶寬中的噪聲功率。圖 1 示出了 OSA 測(cè)量的典型信號(hào)，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(cè)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(cuò)誤越少。相反，OSNR 較低（或較差）可能會(huì)增加維修用車、降低服務(wù)質(zhì)量 (QoS)（請(qǐng)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

　　光譜分析儀 (OSA) 最初用于測(cè)量光信號(hào)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?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)功率計(jì)無(wú)法區(qū)分多個(gè)波長(zhǎng)（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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障排除或者測(cè)量通道功率和噪聲級(jí)別，但是由于種種原因，這些獨(dú)特的測(cè)量設(shè)備仍未獲得市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。其中一個(gè)原因是，OSA 的真實(shí)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(shí)還將介紹目前市場(chǎng)中出現(xiàn)的 OSA，最后將說(shuō)明如何使用 OSA 來(lái)充分開(kāi)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(cè)信號(hào)沿光纖傳播途中，被噪聲干擾的程度。計(jì)算方法是將信號(hào)總功率除以 0.1 nm 帶寬中的噪聲功率。圖 1 示出了 OSA 測(cè)量的典型信號(hào)，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(cè)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(cuò)誤越少。相反，OSNR 較低（或較差）可能會(huì)增加維修用車、降低服務(wù)質(zhì)量 (QoS)（請(qǐng)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(hào)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(shí)現(xiàn)，由在一條光纖上復(fù)用的八個(gè)波長(zhǎng)組成。（請(qǐng)注意，在傳播路徑中使用了四個(gè)摻鉺光纖放大器 (EDFA) 來(lái)提升信號(hào)功率。）如圖所示，每個(gè) EDFA 都會(huì)放大已經(jīng)存在的信號(hào)和噪聲，同時(shí)自身也會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，OSNR 在信號(hào)相繼通過(guò)放大器后會(huì)下降。由于 OSNR 隨距離變化，所以通常會(huì)在網(wǎng)絡(luò)的不同位置監(jiān)測(cè) OSNR，而不僅僅是在發(fā)送器端和接收器端監(jiān)測(cè)。

圖 4. 在光纖中傳播時(shí) OSNR 的演進(jìn)
 

　　網(wǎng)絡(luò)中的噪聲源
　　EDFA 是網(wǎng)絡(luò)中的主要噪聲源，來(lái)自稱為“放大自發(fā)輻射”(ASE) 的過(guò)程。典型的 EDFA 包含激光器（稱為“泵浦”源），如果工作在 980 nm波長(zhǎng)，則將鉺離子從基態(tài) L1 激發(fā)至 L3（請(qǐng)參閱圖 5）；如果工作在 1480 nm 波長(zhǎng)，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(hào)通過(guò)，則信號(hào)光子會(huì)激發(fā)能級(jí) L2 的離子下降到 L1，產(chǎn)生一個(gè)與信號(hào)光子具有相同波長(zhǎng)，相同傳播方向的新光子。信號(hào)因而會(huì)通過(guò)受激輻射得到放大。鉺離子也可以通過(guò)自發(fā)輻射從 能級(jí) L2 衰減至 L1，這種情況會(huì)隨機(jī)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(gè) EDFA 都會(huì)因?yàn)槠?ASE 而降低已放大信號(hào)的 OSNR。如果信號(hào)相繼通過(guò)多個(gè) EDFA，則第一個(gè) EDFA 通常會(huì)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(chǎng)中當(dāng)前出現(xiàn)的 OSA
　　在典型的激活和試運(yùn)行過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可能會(huì)首先使用光纖探測(cè)器來(lái)確認(rèn)連接器是否清潔，然后使用功率計(jì)測(cè)試光纖中的損耗。如果損耗大于通過(guò)值，則現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員會(huì)使用光時(shí)域反射儀 (OTDR) 來(lái)查找故障，而測(cè)試順序的最后一步通常是 BER 測(cè)試。然后，服務(wù)開(kāi)通團(tuán)隊(duì)會(huì)打開(kāi)發(fā)送器并執(zhí)行 OSA 測(cè)量，以檢查每個(gè)通道的中心波長(zhǎng)和功率級(jí)別，在某些情況下也會(huì)檢查 OSNR。在這種情況下，在冗長(zhǎng)的要執(zhí)行的測(cè)試列表中，OSA 測(cè)量可能會(huì)被視為用處不大的額外測(cè)量。事實(shí)上，這種錯(cuò)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(jià)值。

　　如何使用 OSA 將網(wǎng)絡(luò)的潛力最大化
　　網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)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(cè)量工具之一。使用 OSA 可以執(zhí)行以下三項(xiàng)操作來(lái)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(shí)驗(yàn)室中測(cè)試不同網(wǎng)絡(luò)配置。

　　通過(guò)測(cè)量 OSNR、通道間距和信號(hào)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?yàn)樗梢詼y(cè)量信號(hào)的光譜寬度。眾所周知，信號(hào)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(huì)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(huì)導(dǎo)致通道重疊，否則可能會(huì)增加 BER。因此，更高的數(shù)據(jù)速率會(huì)進(jìn)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(guò) OSA 充分利用網(wǎng)絡(luò)潛力的第三種方式是，允許在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試不同網(wǎng)絡(luò)配置。事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者/規(guī)劃者希望在推出之前（于實(shí)驗(yàn)室中）評(píng)估放大器的數(shù)量、位置和增益以及色散補(bǔ)償器的位置、通過(guò) ROADM 分插波長(zhǎng)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(shí)還能夠識(shí)別可能的問(wèn)題以及可以改善的領(lǐng)域。

　　結(jié)論
　　OSA 是一款功能強(qiáng)大的測(cè)量設(shè)備，可以測(cè)量 OSNR 并鑒定光纖鏈路，因?yàn)?OSNR 與 BER 直接相關(guān)。OSNR 不佳會(huì)增加維修用車、延長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間等，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成負(fù)面影響。除此之外，使用 OSA 可以通過(guò)增加通道數(shù)量、提升數(shù)據(jù)速率或測(cè)試不同網(wǎng)絡(luò)配置來(lái)充分利用網(wǎng)絡(luò)容量。