基于DWDM技術(shù)的最簡單光譜分析儀裝置

  一.面對DWDM測試挑戰(zhàn)

  密集波分復(fù)用(DWDM)是作為電信服務(wù)提供商的關(guān)鍵性全局解決方案出現(xiàn)的。這項(xiàng)技術(shù)提供可擴(kuò)展帶寬，克服了其它方案耗費(fèi)光纖帶寬的缺點(diǎn)，能處理不同的數(shù)據(jù)格式和比特率，易于集成到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之中，并且價(jià)格合理。

  但DWDM技術(shù)也要求測試設(shè)備制造商設(shè)計(jì)出現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下性能同樣優(yōu)異的測試儀器。在保證高性能的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場測試儀器還要易于操作，即便是網(wǎng)絡(luò)管理者沒有時(shí)間嘗試和掌握新技術(shù)也沒問題。

  便攜式光譜分析儀能夠測量DWDM系統(tǒng)大部分參數(shù)，用于安裝、試車、維護(hù)和故障定位，也可以持續(xù)監(jiān)視DWDM信號的關(guān)鍵參數(shù)以檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性，在保證DWDM系統(tǒng)正常運(yùn)行中扮演著不可或缺的角色。

  二.測量原理

  光譜分析儀能將光波信號按其各組成部分的波長分解，這意味著在一定波長范圍內(nèi)可以清晰地看到光譜輪廓。光譜輪廓以圖形方式顯示，橫軸為波長，縱軸為對應(yīng)功率，如圖1所示。用這種方法可以將單根光纖上的DWDM成分信號分開，進(jìn)行單個(gè)通道的分析，也可以分析各通道的譜間干擾。

  圖1 典型的光譜分析儀曲線

  在現(xiàn)場測試應(yīng)用中，衍射光柵是將光波分解成組分(顏色)的首選方法。顧名思義，衍射光柵是一個(gè)色散元件，由于表面刻有大量精密平行刻槽，能將輸入光信號分解即衍射成光譜。光信號一旦被衍射，就可以把一個(gè)探測器調(diào)整到和某一特定波長對準(zhǔn)，檢測出其功率大小。要測量另一波長信號，探測器必須再被調(diào)整到這一要測量的波長上，依次類推，從而測量出光信號的光譜圖。

  圖2示出了一個(gè)使用固定探測器—單通單色儀的最簡單的光譜分析儀裝置。今天的光譜分析儀已經(jīng)采用更新式的色散光柵排列、多通道方案以及更有效的功率檢測方法對這一基本設(shè)計(jì)做了改進(jìn)。

  圖2 簡單的光譜分析儀設(shè)計(jì)

  三.光譜分析儀的關(guān)鍵指標(biāo)

  一臺光譜分析儀的可接受動(dòng)態(tài)范圍是多少?為什么寬波長范圍是優(yōu)點(diǎn)?分辨帶寬為什么重要?對這些問題的回答取決于用戶的具體需要、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)制訂的規(guī)范及DWDM工業(yè)發(fā)展趨勢。

  從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的角度來講，光譜分析儀必須容易使用、便攜，而且堅(jiān)固。再者，光學(xué)性能必須滿足目前的測試需要及可預(yù)見的發(fā)展要求，以免很快過時(shí)。

  對于標(biāo)準(zhǔn)制定者，功率準(zhǔn)確度、動(dòng)態(tài)范圍和分辨率帶寬是最重要的參數(shù)。指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)今天已被廣泛接受，但標(biāo)準(zhǔn)制定者必須確保他們的建議建立于客觀準(zhǔn)則和可靠實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上—這是一個(gè)耗費(fèi)時(shí)間的過程。

  系統(tǒng)制造商和集成商也是指標(biāo)的可靠來源，他們也發(fā)展了一些經(jīng)驗(yàn)性的規(guī)范，以使其系統(tǒng)不僅滿足當(dāng)今通信業(yè)務(wù)的要求，還要滿足類似DWDM等可升級技術(shù)的未來要求。

  1.光抑制比

  光抑制比(ORR)是光譜分析儀最重要的指標(biāo)之一，定義為光譜分析儀在距離載波峰值某一給定距離位置上可以測量到的最大光噪聲比。

  圖3是兩個(gè)由同一個(gè)信號測得的光譜曲線對比。上面的曲線由光抑制比較差的光譜分析儀測得，下面的曲線則由光抑制比較好的光譜分析儀測得。如果多個(gè)通道相隔很近(如50GHz)，好的光抑制比的重要性就更加顯而易見。

  圖3 光抑制比

  從圖4中較上面的DWDM信號輪廓的大部分光譜細(xì)節(jié)被掩蓋的事實(shí)，可以更清楚地看出光抑制比的限制。光譜分析儀的使用者最關(guān)心的是得到真實(shí)光譜輪廓的清晰圖象，如果光譜分析儀的ORR小于待測系統(tǒng)的光信噪比(OSNR)，用戶得到的是所用儀器的ORR受限曲線，而非真實(shí)的光信號行為。

  圖4 系統(tǒng)識別時(shí)ORR指標(biāo)的影響

  顯然，信道數(shù)的增加和信道間間距的減小是更高的光抑制比(ORR)和功率測量指標(biāo)改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，但另一個(gè)重要因素是每個(gè)通道上的時(shí)分復(fù)用比特率。今天的DWDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)所遵從的建議是基于STM-16/OC-48(2.5Gbps)，但隨著STM-64/OC-192(10Gbps)的逼近將會促進(jìn)測量更高OSNR值的需求。一般情況下，這個(gè)速率的增加要求OSNR的測量能力提高4～5dB。

  系統(tǒng)集成商和制造商有義務(wù)提供滿足目前需要并為將來升級作好準(zhǔn)備的系統(tǒng)。正是由于這個(gè)義務(wù)，他們采用了更為嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)范圍和ORR標(biāo)準(zhǔn)，這些指標(biāo)是DWDM系統(tǒng)在安裝和試車時(shí)必須檢測的。這樣，他們就可以預(yù)測安裝的性能。根據(jù)不同的情況，系統(tǒng)集成商一般需要檢測的OSNR范圍在21dB～35dB之間。頂級光譜分析儀可保證距離峰值0.4nm處的ORR值至少為50dBc。

  2.寬功率動(dòng)態(tài)范圍

  這項(xiàng)指標(biāo)反映光譜分析儀中的光探測器有效測量WDM應(yīng)用所要求的各種不同光功率電平的能力。具有寬動(dòng)態(tài)范圍的光譜分析儀，在同一的數(shù)據(jù)采集中，能準(zhǔn)確地測出較高的功率值和較低的噪聲基底，從而使繪制的譜線更加清晰。

  由于DWDM點(diǎn)對點(diǎn)鏈路越來越長，在發(fā)射端必須使用更高的功率才能使光信號傳送到更遠(yuǎn)的距離。另一方面，由于長距離的損耗累加，光信號在接近鏈路終點(diǎn)時(shí)已很微弱。這種情況下，既需要測量高功率值，又需要測量低功率值，它取決于DWDM系統(tǒng)的檢測點(diǎn)。在進(jìn)行單個(gè)系統(tǒng)組件故障排查時(shí)也需要檢測小功率信號，因?yàn)樵谶@種檢測中，測試點(diǎn)只能提取總功率的一小部分。

  光譜分析儀測量耦合器、濾波器及復(fù)用/解復(fù)用器路徑等的插入損耗的能力，要求它有測量低功率的靈敏度。具有寬動(dòng)態(tài)范圍的光譜分析儀可以增加其應(yīng)用的廣泛性，因?yàn)樗瓤梢杂糜谙到y(tǒng)級測試，也可以用于元件級測試。隨著WDM技術(shù)的應(yīng)用拓展于城域網(wǎng)，以及光網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使現(xiàn)場安裝的光學(xué)器件的數(shù)量激增，導(dǎo)致在工廠和實(shí)驗(yàn)室之外進(jìn)行詳細(xì)的元件級測試需求增加。

  3.寬波長范圍

  光譜分析儀波長范圍是指其分析光譜中某一定義部分的信號的能力，以納米為單位(如400nm)，用起始波長和終止波長來表示(如1250nm～1650nm)。

  早期的現(xiàn)場用光譜分析儀專注于C帶，即1530nm～1565nm波段，符合ITU-T G.692建議。許多已敷設(shè)的WDM系統(tǒng)都是設(shè)計(jì)在C帶傳送多個(gè)通道信號的，因?yàn)樗菗姐s光纖放大器(EDFA)的有效工作波長范圍。由于C帶對于支持高通道數(shù)的系統(tǒng)已顯得過窄，所以使用高于1565nm波長的L帶，使系統(tǒng)的載運(yùn)通道數(shù)增加至160個(gè)以上;加之低于1490nm波長的S帶，系統(tǒng)的載運(yùn)通道數(shù)突破200個(gè)關(guān)口?，F(xiàn)正在開啟1310nm波段在低成本城域網(wǎng)中的WDM應(yīng)用之門。圖5示出了標(biāo)準(zhǔn)單模光纖光譜衰減區(qū)的各波長帶。

  圖5 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中的光譜衰減概貌

  (C帶由ITU定義，而S帶和L帶的范圍各廠家的定義不盡相同)

  測試范圍覆蓋這三個(gè)波段的光譜分析儀將是一種具有前瞻性和多用途的儀器，因?yàn)樗梢詽M足一個(gè)系統(tǒng)在未來各種可能演進(jìn)情況下的測量。即使用戶決定將他的WDM系統(tǒng)延伸至城域網(wǎng)，具有1250nm～1650nm波長范圍的光譜分析儀也能勝任。此外，所有光監(jiān)視通道也能用這種寬波長范圍的光譜分析儀測試。最常用的光監(jiān)視波長是1510nm，1625nm和1490nm。

  4.小的分辨帶寬

  分辨帶寬是表征光譜分析儀將兩個(gè)波長間隔很近的光信號分開的能力。該指標(biāo)歸結(jié)于光譜分析儀的光學(xué)布局，主要由其內(nèi)部光學(xué)濾波器的行為決定。濾波器的通帶越窄，分辨率越高。先進(jìn)的光譜分析儀采用雙通結(jié)構(gòu)，加上高質(zhì)量的衍射光柵，以取得好的分辨率帶寬。

  小至0.05nm的分辨帶寬不僅可以保證好的光抑制比，而且可以提升測量近距離通道之間OSNR的性能。這種光譜分析儀能分析通道間距為50GHz(0.4nm)或更小的DWDM系統(tǒng)。理想的光學(xué)濾波器圖形幾乎是方形的。在測量分布反饋激光器(DFB)的邊模抑制比或近距離大功率通道間OSNR數(shù)值時(shí)，這種濾波器圖形是至關(guān)重要的。濾波器圖形越方，濾波器的性能越好。

  5.野外便攜式和堅(jiān)固性

  帶寬需求的快速增長使WDM技術(shù)很快走出實(shí)驗(yàn)室。隨之而來的是對適宜于戶外環(huán)境測試的高性能儀器的需求。光譜分析儀作為DWDM網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)和維護(hù)工作最基本的測試儀器，被應(yīng)用于各種場合—網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)及與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相去甚遠(yuǎn)的極端環(huán)境。

  大多數(shù)高性能光譜分析儀都是為科學(xué)研究設(shè)計(jì)的臺式儀器，是用于可控環(huán)境并由有經(jīng)驗(yàn)的人使用的精密儀器。另一方面，大多數(shù)野外便攜式光譜分析儀都是削減了某些光學(xué)性能，以提供實(shí)用的測試方案。

  眾多的光學(xué)元件和微米量級的精密機(jī)械是光譜分析儀的核心，這些元件之間裝配的任何偏離都將會直接導(dǎo)致儀器光學(xué)指標(biāo)的下降。便攜式光譜分析儀提供電池供電，以適用于不同條件下的快速、便捷測試。另外，野外測試儀器還需要通過BellCore(TelCordia)跌落實(shí)驗(yàn)，而不降低它的指標(biāo)。

  6.增值特性

  隨著DWDM測試測量技術(shù)的演進(jìn)，更富有進(jìn)取心的制造商已經(jīng)在其便攜式、高性能的光譜分析儀中加入了更新的特性。這些恰如其分的特性將對產(chǎn)能、測試速度、數(shù)據(jù)管理和用途多樣化產(chǎn)生直接的影響。

  7.模塊化

  DWDM系統(tǒng)試車和故障定位僅靠光譜分析儀還不夠，還必須測試光纖的總跨度損耗、回波損耗(ORL)和偏振模色散等。在要求更高的波長準(zhǔn)確度測量時(shí)，還需要將多波長計(jì)與光譜分析儀配合使用。因此，理想情況下，光譜分析儀應(yīng)該成為由一個(gè)通用測試平臺管理的系列化模塊的一個(gè)組成部分。

  8.現(xiàn)場測試軟件

  傳統(tǒng)光譜分析儀繼承了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的復(fù)雜軟件。而現(xiàn)場測試用光譜分析儀提供了一個(gè)更加簡潔的用戶界面，包括自動(dòng)測試和簡化的步驟化測試。這使所有操作者，不論是新手還是DWDM專家，都能得到想要的信息。

  四.結(jié)論

  數(shù)字網(wǎng)絡(luò)正向光纖網(wǎng)絡(luò)演變，DWDM系統(tǒng)方興未艾，對功能強(qiáng)大的便攜式光譜分析儀的需求十分迫切。光譜分析儀成為光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)和試車時(shí)的重要儀器。

  用戶只有充分理解光譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)和局限性，才能在選擇儀器時(shí)做出有理有據(jù)的判斷;而儀器制造商，也只有了解了DWDM技術(shù)發(fā)展趨勢和用戶的實(shí)際要求，才能生產(chǎn)出適合現(xiàn)場測試、具有前瞻性和模塊化的光譜分析儀。新一代的光譜分析儀能在提供當(dāng)前和近來系統(tǒng)測試的頂級測試能力的同時(shí)，提高用戶的生產(chǎn)效率和保護(hù)用戶的投資。

  (作者：中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 張家奎)