如何利用光頻譜分析儀充分發(fā)揮現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)的潛力

光頻譜分析儀(OSA) 最初是為測(cè)量信號(hào)光功率隨波長(zhǎng)或頻率的變化而引入的。隨著波分復(fù)用 (WDM) 技術(shù)的出現(xiàn)，OSA 開始流行起來，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)功率計(jì)無法區(qū)分不同的波長(zhǎng)。然而，盡管大多數(shù)人都熟悉 OSA 在網(wǎng)絡(luò)故障排除或測(cè)量信道功率和噪聲水平方面的典型應(yīng)用，但由于種種原因，這些獨(dú)特的測(cè)量設(shè)備并未在市場(chǎng)上得到廣泛認(rèn)可。其中一個(gè)原因是，OSA 的真實(shí)功率在一定程度上被低估了，尤其是在試圖最大化光纖跨距的潛力時(shí)。

本文介紹了光信噪比(OSNR) 的概念及其重要性，以及 OSNR 差對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，探討了 OSA 在市場(chǎng)上的現(xiàn)狀，最后展示了如何使用 OSA 來充分利用光纖鏈路。

光信噪比

光信噪比(OSNR) 的概念是表征波分復(fù)用 (WDM) 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。它定量地衡量信號(hào)在光纖中傳播過程中受噪聲干擾的程度。其計(jì)算方法是將總信號(hào)功率除以 0.1 nm 帶寬內(nèi)的噪聲功率。圖 1 顯示了由光頻譜分析儀 (OSA) 測(cè)得的典型信號(hào)，其功率約為 -22 dBm，噪聲基底約為 -46 dBm；因此，在本例中，OSNR 約為 24 dB。

圖1. 光信噪比 (OSNR) 示例。

OSNR的重要性

為什么測(cè)量光信噪比(OSNR) 很重要？OSNR 與誤碼率 (BER) 之間存在直接關(guān)系，而 BER 是衡量傳輸質(zhì)量的最終指標(biāo)。如圖 2 所示，更高的 OSNR 意味著更低的誤碼率，也就是更少的傳輸錯(cuò)誤。反之，低（或較差）的 OSNR 會(huì)對(duì)故障排查次數(shù)、服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 等產(chǎn)生不利影響（見圖 3）。

圖2. OSNR、BER 和 QoS 之間的關(guān)系。

圖3. 低（或差）OSNR 的影響。

網(wǎng)絡(luò)OSNR

研究信號(hào)在光纖中傳播時(shí)的光信噪比(OSNR) 變化很有意義。圖 4 展示了一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案，該方案在一根光纖上復(fù)用了八個(gè)波長(zhǎng)。（需要注意的是，使用了四個(gè)摻鉺光纖放大器 (EDFA) 來增強(qiáng)沿傳播路徑的信號(hào)功率。）如圖所示，每個(gè) EDFA 都會(huì)放大信號(hào)和已有的噪聲，并且還會(huì)引入自身的噪聲。因此，隨著信號(hào)依次通過放大器，OSNR 會(huì)逐漸降低。由于 OSNR 會(huì)隨距離變化，因此通常需要在網(wǎng)絡(luò)中的不同位置監(jiān)測(cè) OSNR，而不僅僅是在發(fā)射端或接收端。

圖4. 光纖中傳播時(shí) OSNR 的演變。

網(wǎng)絡(luò)噪聲的來源

由于一種稱為“放大自發(fā)輻射”（ASE）的過程，摻鉺光纖放大器（EDFA）是網(wǎng)絡(luò)中的主要噪聲來源。典型的EDFA包含一個(gè)激光器（稱為“泵浦光”），當(dāng)其工作波長(zhǎng)為980 nm時(shí)，它會(huì)將鉺離子從基態(tài)L1激發(fā)到能級(jí)L3（見圖5）；當(dāng)其工作波長(zhǎng)為1480 nm時(shí)，則會(huì)將鉺離子從L1激發(fā)到能級(jí)L2。處于L3能級(jí)的鉺離子會(huì)迅速衰變到L2能級(jí)。如果光纖中存在波長(zhǎng)為1550 nm的信號(hào)，信號(hào)光子會(huì)激發(fā)一個(gè)鉺離子從能級(jí)L2衰變到能級(jí)L1，從而產(chǎn)生另一個(gè)與信號(hào)光子具有相同波長(zhǎng)和傳播方向的光子。因此，信號(hào)會(huì)通過受激輻射被放大。鉺離子也可以通過自發(fā)輻射從能級(jí)L2衰變到能級(jí)L1，這種自發(fā)輻射是隨機(jī)發(fā)生的，并產(chǎn)生光子。這些光子可以與其他鉺離子相互作用并被放大，從而產(chǎn)生ASE，即噪聲。因此，每個(gè)EDFA都會(huì)因其ASE效應(yīng)而降低放大信號(hào)的OSNR。如果信號(hào)依次經(jīng)過多個(gè)EDFA，第一個(gè)EDFA通常會(huì)使OSNR降低約3 dB，而后續(xù)的EDFA使OSNR降低的幅度則小于3 dB。

圖5. EDFA 中的自發(fā)發(fā)射和模擬發(fā)射。

市場(chǎng)對(duì)阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（OSA）的當(dāng)前認(rèn)知

在典型的激活和調(diào)試過程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員首先會(huì)使用光纖探針檢查連接器是否清潔，然后用功率計(jì)測(cè)試光纖損耗。如果損耗大于合格值，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員會(huì)使用光時(shí)域反射儀(OTDR) 定位故障，測(cè)試流程通常以誤碼率 (BER) 測(cè)試結(jié)束。接下來，開通團(tuán)隊(duì)會(huì)開啟發(fā)射機(jī)，并進(jìn)行光頻譜分析儀 (OSA) 測(cè)量，以檢查每個(gè)信道的中心波長(zhǎng)和功率水平，在某些情況下還會(huì)測(cè)量光信噪比 (OSNR)。在這種情況下，OSA 測(cè)量可能會(huì)被視為冗長(zhǎng)測(cè)試清單中一項(xiàng)多余的、無用的測(cè)量。事實(shí)上，這種錯(cuò)誤的假設(shè)忽略了 OSA 在充分發(fā)揮光纖網(wǎng)絡(luò)性能方面的真正價(jià)值。

如何利用OSA 最大程度地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)潛力

除了確認(rèn)是否滿足網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估的最低標(biāo)準(zhǔn)（例如信道平坦度、最小功率等）之外，OSA 還是少數(shù)幾種能夠充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)潛力的測(cè)量工具之一。利用 OSA 可以采取三種措施來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能：增加信道數(shù)量；提高數(shù)據(jù)速率；以及在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試不同的網(wǎng)絡(luò)配置。

通過測(cè)量光信噪比（OSNR）、信道間隔和信號(hào)頻譜寬度，OSA 可以幫助網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員確定是否可以增加信道數(shù)量（圖 6）。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)元件能夠處理更小的信道間隔（例如，考慮復(fù)用/解復(fù)用器），那么增加額外的信道就可以輕松提高光纖跨段的帶寬。

圖6. 使用 OSA 確定是否可以增加通道數(shù)。

其次，OSA（頻譜分析儀）能夠測(cè)量信號(hào)的頻譜寬度，從而確定是否可以提高光纖鏈路的數(shù)據(jù)速率。眾所周知，信號(hào)的頻譜寬度會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率的增加而增加。例如，如果圖 7 中黑色通道顯示的是 10 Gbit/s 的信道，那么只要在色散 (CD) 和偏振模色散 (PMD) 的容差范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)速率就可以提高到 40 Gbit/s（紅色通道），而不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能。重要的是要確保更大的頻譜寬度不會(huì)導(dǎo)致信道重疊，因?yàn)檫@會(huì)降低誤碼率 (BER)。因此，更高的數(shù)據(jù)速率可以更有效地利用光纖容量。

圖7. 使用 OSA 確定是否可以提高數(shù)據(jù)速率。10 Gbit/s 的信道以黑色顯示，而 40 Gbit/s 的信道以紅色顯示。

第三種利用OSA發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)潛力的方法是，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試不同的網(wǎng)絡(luò)配置。實(shí)際上，在正式部署之前，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員/規(guī)劃人員希望在實(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、ROADM對(duì)波長(zhǎng)的增減等因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。OSA是唯一能夠從光學(xué)層面全面展現(xiàn)所有這些因素影響的儀器，同時(shí)還能識(shí)別潛在問題或改進(jìn)方向。

結(jié)論

OSA 是一種功能強(qiáng)大的測(cè)量設(shè)備，可用于測(cè)量 OSNR 并評(píng)估光纖鏈路的性能，因?yàn)?OSNR 與 BER 直接相關(guān)。OSNR 過低會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成不利影響，例如增加現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)次數(shù)、延長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間等。此外，OSA 還可用于充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)容量，例如增加信道數(shù)量、提高數(shù)據(jù)速率或測(cè)試不同的網(wǎng)絡(luò)配置。