具备带内OSNR功能的新型OSA：下一代网络的强大工具

    密集波分复用 (DWDM) 技术的出现为电信服务提供商提供了一种关键性战略解决方案。该技术能够提供可扩展带宽，克服多数光纤带宽耗尽的情况，处理不同的数据格式和比特率，还能够以合理的成本轻松集成到当前的网络架构中。近期涌现的一批技术，如可重新配置的光分插复用器 (ROADM) 和新的 40 Gbit/s 或 100 Gbit/s 高速调制格式，已经改变了某些测试的执行方式，例如光信噪比 (OSNR)。在评估光谱鉴定工具是否具有持续满足未来需求的能力时，应考虑前面所列的各项功能。

    DWDM 技术还要求测试设备制造商设计出的仪器在现场和在实验室中的性能同样出色。现场仪器除了应具有较高的规格外，它还应易于操作，即使网络管理者几乎没有时间掌握这些新工具也没问题。

    便携式光谱分析仪 (OSA) 能够测量 DWDM 系统中最重要的参数。该仪器可在网络链路的安装、试运行、升级、维护和故障诊断期间使用。OSA 还可用于持续监测 DWDM 信号的关键参数，以验证系统的稳定性；因此，该仪器在确保 DWDM 系统正常运行方面起着至关重要的作用。

    测量原理
    OSA 能将光波信号按其各组成部分的波长进行分离，从而可在特定波长范围内查看信号的光谱轮廓图。以图形形式显示的轮廓图上横轴表示波长，纵轴表示功率，如图 1 所示。这样，可以将 DWDM 系统中单根光纤上组合的多个信号分开，按通道分析光信号及其与其它波长的交互。

 
图 1. 典型 OSA 曲线

    在现场测试应用方面，衍射光栅是将光波分割为其组成部分（单色光）的首选方法。根据定义，衍射光栅是一个分散性单元，其表面带有大量平行细线，可用于将光信号分离或衍射成光谱。一旦信号发生衍射，就可以将检测器对准衍射光谱的特定位置以测量任何给定波长的功率。要测量另一个波长，检测器就必须重新对准另一个波长位置，依此类推。

    图 2 描述了使用固定检测器的最简单的 OSA 装置 — 单通单色器。如今的 OSA 制造商已改进了基本设计，使用了新的色散光栅排列、多路径方案和更优秀的功率检测方法。

 
图 2. 简单的 OSA 设计

    关键的 OSA 规格
    可接受的 OSA 动态范围是多少？为什么具有宽广的波长范围是一个优点？分辨率带宽为什么很重要？对这些问题的解答很大程度上取决于用户的特殊需求、标准化团体制定的规则以及 DWDM 的行业趋势。

    在网络运营商看来，OSA 设备应具备便于携带、坚固和易于使用的特性。另外，其光学性能必须符合现今的要求，且能够适应可预见的未来发展，以避免很快遭到淘汰。此外，下一代网络的推出（包括 ROADM、40 Gbit/s 乃至 100 Gbit/s 的调制格式）又有新的功能要求。如果您想要寻找一个经得起时间考验的 OSA，具备带内 OSNR 测量能力是个必要条件。

    光抑制比
    OSA 的光抑制比 (ORR) 性能决定了它测量接近峰值的低水平信号的能力；光抑制比的定义为在偏离峰值给定距离 (Δλ) 上的功率与给定窄输入的 OSA 滤光器响应的峰值功率之比（单位是：dB）。为了以所需精度充分测量 OSNR，IEC 61280-2-9 建议所需的 ORR 在噪声测量位置（中心通道）应比待测的 OSNR 至少低 10 dB。例如，要测量在 0.2 nm 处 25 dB 的 OSNR（1550 nm 附近 0.2 nm 是 25 GHz，这是间隔为 50 GHz 的通道集的中心通道间距），则仪器在 0.2 nm 处的 ORR 必须至少为 35 dB，以确保 OSNR 测量的不确定性低于 0.42 dB。

    在图 3 中，显示的是测量相同信号的两条 OSA 曲线对比。蓝色曲线（上方曲线）是来自 ORR 规格较差的一台 OSA，红色曲线（下方曲线）是来自 ORR 规格较好的一台 OSA。如果多个通道相隔很近（如 50GHz），良好 ORR 的重要性就显而易见了。

 
图 3. 光抑制比

    从图 4 可以清楚地看出：上方曲线的 ORR 局限隐藏了 DWDM 信号轮廓的大部分光谱细节。

 
       图4. ORR 对系统识别的影响

    OSA 用户最关心的是得到光谱轮廓的清晰图象。如果设备的 ORR 小于系统的光信噪比 (OSNR)，用户得到的曲线是显示测试设备限制，而非信号的光行为。

    显然，通道数的增加和通道间距的减小是改进 ORR 和功率测量规格的强劲驱动力，但另一个重要因素是每个系统通道上的时分复用 (TDM) 位速率。

    系统集成商和制造商有义务提供既满足目前需要又已为将来升级作好了准备的系统。正是由于此责任的存在，他们采用了更为严格的动态范围和 ORR 标准，该标准在 DWDM 系统鉴定过程中考虑了所需的额外容限；这样，就可以保证他们的设备在未来不会过时。一般而言，在不同情况下系统集成商需检查的 OSNR 级别从 21dB 高至 35dB 以上。顶级的 OSA 可保证距离峰值 0.4 nm 处（大约至 50 GHz）的 ORR 至少为 50 dBc，这使得它在所有情况下都能够精确地进行表征。

    宽功率动态范围
    宽功率动态范围规格反映了 OSA 中的光学检测器对 WDM 应用所要求的所有不同功率级别进行有效测量的能力。具有宽动态范围的仪器在相同的取样中，能准确地测量出较高功率值和较低噪声下限，从而绘制出更加清晰的光谱图。

    由于 DWDM 点对点链路越来越长，无论是为了发射信号或是为了让信号通过放大器点后可传送到较远的距离，都必须使用更高的功率级别。但是，由于长距离上的累积损耗，信号的峰值功率在接近链路末端时已很微弱。这种情况下，根据 DWDM 系统检查点不同，需要测量高低两个功率值。在进行单个系统组件故障诊断时也需要测量低功率值。在这一过程中，测试点只能提取总功率的一小部分。

    测量耦合器、滤光器及光多路复用器 (MUX) 和多路信号分解器 (DEMUX) 通道等的插入损耗的功能，要求系统具有低功率灵敏度。因此，具有宽动态范围的 OSA 应用范围更加广泛，因为它既可以用于系统级测试，也可以用于器件级测试。随着 WDM 技术的应用拓展到城域网络甚至是接入网，使得需要现场安装的光学器件的数量激增，导致在工厂和研究实验室之外进行可靠元件测试的需求增加。

    带内 OSNR
    目前，许多高带宽网络正得到升级，以在其中加入可重新配置的光学分插复用器 (ROADM)，从而提高效率和灵活性。使用 ROADM 的网络与标准系统略有不同：实时网络（运行于多种波长和高数据速率的）中的一个微小故障即可导致系统损失相当多的数据，不仅严重影响总体服务质量 (QoS) 而且也影响成本，因此精确测量 OSNR 显得尤为重要。

    传统上，测量 OSNR 的标准技术如下：根据 DWDM 通道之间的通道间噪声级别的基本插值推导得出 OSNR（如 IEC 子系统测试步骤 61280-2-9 中建议的方法）；这称为“带外”技术。然而，带外技术在可重新配置的网络中不再有效，因为 ROADM 中的光过滤会消除通道间的噪声。因此，带内 OSNR 测量技术对于在可重新配置网络中精确测量 OSNR 变得至关重要；此外，基于 IEC 61280-2-9 步骤进行测量的光谱分析仪会导致严重错误。

    图 5 显示了使用传统方法在 12 通道所测得的噪音值被低估大约 15 dB 的案例。EXFO 全新设计的 OSA 旨在依据噪声（非偏振）和信号（高度偏振）的偏振属性以及我们的偏振分集法来准确测量通道内噪声（带内噪声）。有关详细信息，请访问我们网站的文献库部分。

    宽波长范围
    OSA 波长范围是指其可以分析光谱某一确定部分上的信号的能力。它可表示为纳米数（如 400nm），或通过指出起止波长来表示（如 1250nm - 1650nm）。许多已部署的 WDM 系统都旨在 C 波段上传送其多个通道，因为该波段正是有效使用掺铒光纤放大器的波长范围。依据 ITU-T 建议标准 G.692，这是波长为 1530 nm 至 1565 nm 的的光谱段。对于高通道数系统来说，使用波长高于 1565 nm 的 L 波段可使系统内通道数增加至 160 个以上。如果在 S 波段 1490 nm（以此为例）和 1310 nm 区域上增加通道，则证明了需要尽可能地增大波长范围。在 1310 nm 波长范围的 40 Gbit/s 和 100 Gbit/s 技术的新发展是 OSA 明确需要更大波长范围的另一原因，在该技术的新发展趋势中，间隔 5 nm 的四个信号（ITU G.694.1 规范：1295.56 nm、1300.05 nm、1304.58 nm 和 1309.14 nm）在发射机模块的输出处进行多路复用。图 6 显示了标准单模光纤的光谱衰减轮廓图上的各波段。

  
    可用于分析所有波段（所有 1250 nm 至 1650 nm 的单模波长）的 OSA 是一种具有前瞻性和多用途的仪器，因为在系统未来各种可能演进情况下它都能进行测试。此外，所有光监控通道 (OSC) 波长也能用这种宽波长范围进行测试，最常见的光监控波长是 1510 nm、1625 nm 和 1490 nm。

    小分辨率带宽
    分辨率带宽是 OSA 将两个波长间隔很近的光信号分离的能力。该规格主要由 OSA 内部光学器件的滤光器行为决定，即滤光器的通带越窄，OSA 的分辨率带宽越好（小）。一流的 OSA 设备采用双通结构，加上高质量的衍射光栅，可以取得良好的分辨率带宽。

    测量小间隔通道之间的 OSNR 时，小至 0.03 nm 左右的分辨带宽结合良好的 ORR 可以提升 OSA 的性能。这种 OSA 能分析通道间距为 25 GHz (0.2 nm) 或更小的 DWDM 系统。理想的滤光器形状将具有极强的锐截止特性（几乎是正方形）。在测量 DFB 激光器中的单模抑制比或小间距大功率通道间 OSNR 数值时，这种滤光器形状就尤为重要。滤光器图形越接近方形，滤光器就越好。

    现场应用和便携性
    带宽需求的快速增长使 WDM 技术很快走出实验室，随之而来的是对适宜于外线工程环境的高性能测量仪器的需求。OSA 是 DWDM 网络部署和维护工作最主要的仪器；它被应用于各种场合，网络中的不同点及与实验室环境相去甚远的极端环境。

    如今大多数高性能的 OSA 都是为研究而设计安装的台式仪器。他们是用于受控环境并由有经验的用户使用的精密仪器。并且，大多数现场便携式 OSA 都削减了光学性能，以提供实用的测试解决方案。

    众多的光学器件和微米精度的机械部件是 OSA 的核心。这些元件之间的任何机械调整偏差都将会直接导致仪器光学规格的下降。便携式 OSA 提供了电池操作，以便在不同情况下都可快速、方便地进行测试。现场设备还应该通过 Bellcore (Telcordia) 跌落测试，而不降低它的规格。

    增值功能
    随着 DWDM 测试测量技术的演进，制造商又在其便携式、高性能仪器中加入了一些功能。这些功能将直接对生产率、测试速度、数据管理和功能多样化产生影响。

    现场软件
    传统上，OSA 继承了实验室环境下的复杂软件。而适合现场测试的 OSA 用户界面更加简洁，包括自动测试和逐步简化的测试步骤、通过/未通过标准以及集成式的报告。这使得所有操作者，不论是新手还是 DWDM 专家，都能得到想要的信息。诸如自动发现现有通道、预先载入完整的测试参数设置、通过/未通过标准以及数据保存和报告等功能，确保了即使完全不懂技术的操作者也能够发挥出仪器的最大功效。同样的，使用 USB 工具或以太网链接进行数据传输可以使故障诊断或数据后处理变得简单易行。

    结论
    随着数字网络向光纤技术迁移，DWDM 系统变得无所不在。因此，对功能强大的便携式 OSA 设备的需求十分迫切。OSA 成为了在制造和试运行阶段快速检查光网络质量的重要仪器。OSA 用户只有充分理解该仪器的优点和局限性，才能在选择仪器时作出有理有据的判断。而对于 OSA 的制造商而言，只有了解了 DWDM 技术的发展趋势和用户的实际要求，才能生产出适合现场测试、经得起时间考验的模块化仪器。新一代 OSA 在为当前和未来的系统提供顶级测试能力的同时，可提高生产率并保护用户的投资。

    图 6. 标准单模光纤的光谱衰减轮廓图。C 波段由 ITU 定义，而关于 S 波段和 L 波段的范围，各制造商的定义不尽相同

    图 5. 在 ROADM 输出处获取的 OSA 曲线，其中通道 10、11 和 12 的曲线清楚地显示出滤光器 ASE 噪声的噪声级别约为 -38 dBm，而沿不同通道传输的通道 13 的曲线显示出低得多的噪声值 (-53 dBm)