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密集光波分復用系統(tǒng)的波長測量技術(shù)
摘要：本文闡述密集光波分復用系統(tǒng)的概況、系統(tǒng)的測試要求，可調(diào)諧光濾器的結(jié)構(gòu)，以及便攜式光譜分析儀的應用方式與相關(guān)測量儀表的展望。
信息時代信息爆炸導致通信帶寬需求或通信網(wǎng)絡(luò)容量爆增。如近期北美骨干網(wǎng)的業(yè)務量約6-9個月翻一番，達到了所謂的“光速經(jīng)濟”的時期，它比微電子芯片性能發(fā)展的摩爾法則（約18個月翻一番）快2-3倍，而且迄今這種發(fā)展勢頭不減。面對這種發(fā)展趨勢，各個通信發(fā)達國家都在積極研究設(shè)計新的寬帶網(wǎng)絡(luò)，如可持續(xù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)CUN、下一代網(wǎng)絡(luò)NGN、新公眾網(wǎng)NPN、一體化網(wǎng)UN等，但其基礎(chǔ)傳輸媒質(zhì)的物理層都是密集光波分復用（DWDM）的光傳送網(wǎng)OTN。不如此就不可能提供巨大的通信帶寬，高度可靠的傳輸性能，足夠的業(yè)務承載容量以及低廉的使用費用，確保網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展，支持當前和未來的任何業(yè)務信號的傳送要求。
1 密集光波分復用（DWDM）系統(tǒng)
DWDM系統(tǒng)主要由光合波器、光分波器和摻鉺光纖放大器（EDFA）組成。其中EDFA的作用是由比信號波長低的高能量光泵源將能量輻射進一段摻鉺光纖中，當載有凈負荷的光波通過此段光纖一起傳播時，完成光能量的轉(zhuǎn)移，使在1530-1565m波長范圍內(nèi)各個光波承載的凈負荷信號全都得到放大，彌補了光纖線路的能量損失。這樣，當用EDFA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光通信鏈路中的中繼段設(shè)備時，就能以最少的費用直接通過增加波長數(shù)增大傳輸容量，使整個光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計都大大簡化，并便于施工維護。
EDFA在DWDM系統(tǒng)中實際應用時又分為功放或后置放大器（BA），預放或前置放大器（PA）和線路放大器（LA）3種，但有的公司為了簡化，盡量減少設(shè)備品種，統(tǒng)一為OA，以便于維護。
目前商用的DWDM系統(tǒng)的每個波長的數(shù)據(jù)速率是2.5Gbps，或10Gbps，波長數(shù)為4、8、16、32等；40、80甚至132個波長的DWDM系統(tǒng)也已有產(chǎn)品。常用的有兩類配置。一類是在光合波器前與在光分波器后設(shè)置波長轉(zhuǎn)換器（Wavelength Transponder）OTU。這一類配置是開放式的，采用這種可以使用現(xiàn)有的1310nm和1550nm波長區(qū)的任一廠家的光發(fā)送與光接收機模塊；波長轉(zhuǎn)換器將這些非標準的光波長信號變換到1550nm窗口中規(guī)定的標準光波長信號，以便在DWDM系統(tǒng)中傳輸。美國的Ciena公司、歐洲的pirelli公司采用這類配置，他們是生產(chǎn)光器件的公司，通常，所生產(chǎn)的光分波合波器有較好的光學性能參數(shù)。如Ciena公司采用的信道波長間隔為0.8nm，對應100GHz的帶寬，在1545.3-1557.4nm波長范圍內(nèi)提供16個光波信道或光路。但他們沒有SDH傳輸設(shè)備，因此，在系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)管理方面不能統(tǒng)一考慮。此類配置的優(yōu)點是應用靈活、通用性強，缺點是增加波長轉(zhuǎn)換器、成本較高。另一類配置是不用波長轉(zhuǎn)換器，將波分復用、解復用部分和傳輸系統(tǒng)產(chǎn)品集成在一起，這一類配置是一體的或集成的，這樣簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低了成本，而且便于將SDH傳輸設(shè)備和DWDM設(shè)備在同一網(wǎng)管平臺上進行管理操作。這類配置的生產(chǎn)廠家如Lucent、Siemens、Nort el等，他們是SDH傳輸系統(tǒng)設(shè)備供應商，有條件這樣做。他們在做4×2.5G32bpsDWDM系統(tǒng)設(shè)計時就考慮與4×10Gbps速率的兼容，考慮增加至8個波長、16個波長、基至40個波長、80個波長，以及2.5Gbps和10Gbps的混合應用，確保系統(tǒng)在線不斷擴容，平滑過渡，不影響通信網(wǎng)的業(yè)務。當然，他們也提供開放式配置，或發(fā)送是開放式，接收為一體式的DWDM系統(tǒng)設(shè)備。
由于初期商用的EDFA帶寬平坦范圍在1540-1560nm，故早期使用的DWDM系統(tǒng)的復用光波長多在1550nm附近。后來實際EDFA的增益譜寬為35nm，約4.2THz，其中增益起伏小于1dB的譜寬在1539-1565nm之間，若以1.6nm（對應200GHz）的波長間隔，則最少可實現(xiàn)8波長，乃至16波長的同步放大；若以0.8nm（對應100GHz）的波長間隔，則最少可實現(xiàn)16個波長，乃至32個波長的DWDM系統(tǒng)，再加上EDFA約40dB的高增益，大于100mW的高輸出功率，以及4-5dB的低噪聲值等優(yōu)越性能，故極大地促進了DWDM系統(tǒng)的快速發(fā)展。
正如電放大器那樣，光放大器在放大光信號的同時也要引入噪聲。它由光子的自發(fā)幅射（Spontaneous Emission）產(chǎn)生。此種噪聲和光信號在光放大器中一起放大，并逐級積累形成干擾信號，即熟知的放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，簡寫為ASE）干擾信號。這種ASE干擾信號經(jīng)多經(jīng)光放積累的功率會大到1-2mW，其頻譜分布與波長增益譜對應。
這就是為什么經(jīng)過若干個OLA放大后必須經(jīng)過光電變換，分別取出各波長光路的電信號進行定時、整形與再生（3R），完成光數(shù)字信號處理的主要原因，它決定了電中繼段或復用段的最大距離或最大光中繼段數(shù)。當然，其他因素例如允許的總的色散值也決定此電中繼段的最大距離，這要由系統(tǒng)設(shè)計作光功率預算時，哪個因素要求最嚴格來確定。
2 DWDM系統(tǒng)的測試要求
以SDH終端設(shè)備為基礎(chǔ)的多波長密集光波分復用系統(tǒng)和單波長SDH系統(tǒng)的測試要求差別很大。首先，單波長光通信系統(tǒng)的精確波長測試是不重要的，只需用普通的光功率計測量了光功率值就可判斷光系統(tǒng)是否正常了。設(shè)置光功率計到一個特定的波長值，例如是1310nm還是1550nm，僅用作不同波長區(qū)光系統(tǒng)光源發(fā)光功率測試的較準與修正，因為對寬光譜的功率計而言，光源波長差幾十nm時測出的光功率值的差別也不大�？墒牵瑢WDM系統(tǒng)就完全不同了，系統(tǒng)有很多波長，很多光路，要分別測出系統(tǒng)中每個光路的波長值與光功率大小，才能共發(fā)判斷出是哪個波長，哪個光路系統(tǒng)出了問題。由于各個光路的波長間隔通常是1.6nm（200GHz）、0.8nm（GHz），甚至0.4nm（50GHz），故必須有波長選擇性的光功率計，即波長計或光譜分析儀才能測出系統(tǒng)的各個光路的波長值和光功率的大小，因此，用一般的光功率計測出系統(tǒng)的總光功率值是不解決問題。其次，為了平滑地增加波長、擴大DWDM系統(tǒng)容量，或為了靈活地調(diào)度、調(diào)整電路和網(wǎng)絡(luò)的容量，需要減少某個DWDM系統(tǒng)的波長數(shù)，即要求DWDM系統(tǒng)在增加或減少波長數(shù)時，總的輸出光功率基本穩(wěn)定。這樣，當有某個光路、某個凈負荷載體，即光波長或光載頻失效時，又用普通光功率計測量總光功率值是無? ǚ⑾治侍獾模?蛭?渙礁齬庠仄倒β蝕蟠蠼檔突蚴?В?宰艿墓夤β手滌跋旌芐�。绰柋�?匭攵愿鞲齬庠仄檔墓β式?醒≡裥圓飭浚?喚霾獬齬夤β實縉街擔??一棺既返夭獬鼉嚀宓牟ǔな?島螅?拍莧非兄?朗悄母霾ǔつ奶豕飴煩雋宋侍狻Ｕ獠喚鱸諗卸瞎飴飯收鮮狽淺１匾???以諳
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此外，為了測量光放大器增益光譜特性，尤其是增益平坦度，需找出各波長或各光路的功率電平差值時，也必須測量出各光路的波長值和光功率值。
為便于查尋光線路放大器的故障，除測量各個光路的波長值和光功率外，還要測量出各個光路的信噪比（OSNR）。這里，在測量OSNR時要注意測量儀表的噪聲帶寬。例如用HP70952B光譜分析儀（噪聲帶寬1nm）測量的OSNR要比用Agilent 86121A WDM光路分析儀（噪聲帶寬0.1nm）測量出的OSNR低約10dB；這是因為前者取出的噪聲功率是后者取出的噪聲功率的10倍，自然，前者測出的OSNR要低約10db（因光信號功率測量有差別）。
由于DWDM系統(tǒng)有n個波長，n個光路，等效于n個虛SDH光通信系統(tǒng)，故在系統(tǒng)的重要測量點必須有光分路器（分光器），以避免在做波長和功率測量時中斷系統(tǒng)，造成大量業(yè)務丟失。
為便于比較對照，將OSP-102/OMS-100組合測試儀和一個典型的實驗室用光譜分析儀OSA的技術(shù)規(guī)范列在一起。
3 可調(diào)諧光濾波器
為使具有光譜分析儀功能的儀表適合現(xiàn)場測試，需要有輕便靈巧的可調(diào)諧光濾波器選擇光波長。它是一個可調(diào)法布里-泊羅（Fabry-Perot）濾波腔體，它的基本結(jié)構(gòu)是由兩塊部分鍍銀的板構(gòu)成反射平面，兩塊板相對分開的距離是可普的。其濾波原理是：對某個波長的光，當調(diào)節(jié)兩塊板之間的距離，使在兩塊板之間反射引起的部分射線在相位上完全重疊時，濾波器對該波長的光是直通的，而對其他波長的光會引入很大的衰減。
這種可調(diào)諧光濾波器與光分度計或旋轉(zhuǎn)干涉濾波器相比有很多優(yōu)點。它沒有軸承、軸、馬達等，不存在由于連續(xù)持久的操作引起磨損、破裂等問題；結(jié)構(gòu)非常堅實，對振動不敏感。它是不可逆的光器件，無論是衰減，還是通常波長均與輸入光波的射線極化無關(guān)；這一優(yōu)點在有幾個波長激光器都調(diào)整到有相同輸出光功率時尤其重要。
4 便攜式光譜分析儀
適用于DWSM系統(tǒng)現(xiàn)場安裝調(diào)測與日常維護的便攜式光譜分析儀，除去前已介紹的HP 70952B,Agilent 86121A外，現(xiàn)舉OSP-102插件和OMS-100主機配合專用于DWDM系統(tǒng)測試的便攜式光譜分析儀為例，說明采用可調(diào)諧光濾波器一方面使成本顯著降低，一方面使重量減輕。體積縮小，有利于便攜。為便于使用，還增加了下述分立的應用方式。
（1）光譜分析儀方式
用可調(diào)諧光濾波器沿著要選測的波長范圍調(diào)整移動，將以圖形方式顯示測量結(jié)果，可用游標定位估計波長、功率數(shù)值，以及各波長和功率差值的測試數(shù)據(jù)。還可用存儲器存儲兩個光譜的測試數(shù)據(jù)進行比較。
（2）光纖系統(tǒng)方式
用表列出直到16個光路或波信道的被測試的波長、功率和S/N。這種應用方式對光纖通信系統(tǒng)的日常維護測試特別有用。因為在DWDM系統(tǒng)的運行過程中，通常不希望光載頻信號的功率超過規(guī)定的容限。
（3）光功率計方式
可調(diào)諧光濾波器固定調(diào)整到所選的波長，以數(shù)字顯示該波長的光功率，就可以用來檢測該光路或信道光載頻功率隨時間的變化，即穩(wěn)定程度。這一方式在檢測中斷故障時尤其有用。
�。�4）監(jiān)視器輸出方式
將被濾出的光信號的一部分送到監(jiān)視器輸出，就能在不影響其他光路或波信道業(yè)務的條件下對DWDM系統(tǒng)的某指定波信道進行比特誤碼率測試，也可具體檢測出哪一個波信道傳輸有問題。
5 展望
為了持續(xù)增加通信網(wǎng)絡(luò)容量與通信帶寬，光纖通信中電時分復用與光波分復用這兩種主要擴容手段已結(jié)合，基礎(chǔ)速率為2.5Gbps/10Gbps的8波、16波、32波、40波乃至80波的密集波分復用系統(tǒng)已經(jīng)商用，所有的波長都落在常規(guī)的C帶（波段）內(nèi)（1530-1565nm）；它又可分為藍帶和紅帶。光路間隔已從100GHz（0.8nm）縮小到50GHz（0.4nm）。進一步增加波長數(shù)，例如增加到160波以上時將要應用L帶（1565-1625nm），即所謂的第4代WDM光通信系統(tǒng)。為了適應波長數(shù)不斷增加的DWDM系統(tǒng)迅速發(fā)展的形勢，測量儀表和測量技術(shù)也在迎頭趕上。例如Ando Electric公司最近推出一系列針對DWDM市場的解決方案。其中有AQ4321A/AQ4321D可調(diào)激光源，它不僅光輸出功率高，而且波長測量精度高，在1520nm時可達到±0.01nm的測量精度。AQ6317B是測量DWDM系統(tǒng)和部件的高精度、高分辨率的光譜分析儀，它有大的動態(tài)范圍，并同50GHz光路間隔的L帶DWDM系統(tǒng)兼容。還有AQ8423Z光放大器分析儀，它覆蓋C帶和L帶波長，能與AQ6317系統(tǒng)光譜分析儀配套。它可精確地測量噪聲指數(shù)NF和光鏈路中光放大器的增益，分隔ASE光噪聲和經(jīng)過光放大器放大的光信號，并能達到最小光路間隔25GHz的最佳效果。當將AQ8423Z與AQ6317B聯(lián)合使用時可測量多達200個光路的N F圖形。最近又推出新的多波長測量儀，一次可完成多達256條光路的波長測量。總之，DWDM系統(tǒng)的測量技術(shù)和測試儀表正向著更多波長、更好的波長測量精度和可分辨出更小的光路間隔，即向著能滿足未來更高波分密度、更巨大的網(wǎng)絡(luò)容量的傳輸設(shè)備的要求發(fā)展。
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