基于DWDM技術(shù)的最簡(jiǎn)單光譜分析儀裝置

  一.面對(duì)DWDM測(cè)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(cè)試設(shè)備制造商設(shè)計(jì)出現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下性能同樣優(yōu)異的測(cè)試儀器。在保證高性能的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)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(hào)的關(guān)鍵參數(shù)以檢測(cè)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(cè)量原理

  光譜分析儀能將光波信號(hào)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(duì)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(hào)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(chǎng)測(cè)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(hào)分解即衍射成光譜。光信號(hào)一旦被衍射，就可以把一個(gè)探測(cè)器調(diào)整到和某一特定波長對(duì)準(zhǔn)，檢測(cè)出其功率大小。要測(cè)量另一波長信號(hào)，探測(cè)器必須再被調(diào)整到這一要測(cè)量的波長上，依次類推，從而測(cè)量出光信號(hào)的光譜圖。

  圖2示出了一個(gè)使用固定探測(cè)器—單通單色儀的最簡(jiǎn)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(cè)方法對(duì)這一基本設(shè)計(jì)做了改進(jìn)。

  圖2 簡(jiǎn)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(tái)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(duì)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(shì)。

  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(cè)試需要及可預(yù)見的發(fā)展要求，以免很快過時(shí)。

  對(duì)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(jí)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(cè)量到的最大光噪聲比。

  圖3是兩個(gè)由同一個(gè)信號(hào)測(cè)得的光譜曲線對(duì)比。上面的曲線由光抑制比較差的光譜分析儀測(cè)得，下面的曲線則由光抑制比較好的光譜分析儀測(cè)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(hào)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(cè)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(hào)行為。

  圖4 系統(tǒng)識(shí)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(cè)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(huì)促進(jìn)測(cè)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(cè)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(jí)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(cè)的。這樣，他們就可以預(yù)測(cè)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(cè)的OSNR范圍在21dB～35dB之間。頂級(jí)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(cè)器有效測(cè)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(cè)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(duì)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(hào)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(hào)在接近鏈路終點(diǎn)時(shí)已很微弱。這種情況下，既需要測(cè)量高功率值，又需要測(cè)量低功率值，它取決于DWDM系統(tǒng)的檢測(cè)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(cè)小功率信號(hào)，因?yàn)樵谶@種檢測(cè)中，測(cè)試點(diǎn)只能提取總功率的一小部分。

  光譜分析儀測(cè)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(cè)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(jí)測(cè)試，也可以用于元件級(jí)測(cè)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(chǎng)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(jí)測(cè)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(hào)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(chǎng)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(hào)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(duì)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。現(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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)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(cè)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(cè)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(duì)適宜于戶外環(huán)境測(cè)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(cè)試儀器，被應(yīng)用于各種場(chǎng)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(tái)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(cè)試方案。

  眾多的光學(xué)元件和微米量級(jí)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(huì)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(cè)試。另外，野外測(cè)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(cè)試測(cè)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(duì)產(chǎn)能、測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試平臺(tái)管理的系列化模塊的一個(gè)組成部分。

  8.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)試用光譜分析儀提供了一個(gè)更加簡(jiǎn)潔的用戶界面，包括自動(dòng)測(cè)試和簡(jiǎn)化的步驟化測(cè)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(duì)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(shì)和用戶的實(shí)際要求，才能生產(chǎn)出適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)試的頂級(jí)測(cè)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)