光譜分析儀 (OSA) 最初用于測量光信號的功率譜。在引入了波分復用 (WDM) 之后，光譜分析儀得到普及，因為標準功率計無法區分多個波長（通道下的光功率）。然而，盡管大多數人都熟悉 OSA 的典型應用，即對網絡進行故障排除或者測量通道功率和噪聲級別，但是由于種種原因，這些獨特的測量設備仍未獲得市場的廣泛認可。其中一個原因是，OSA 的真實能力在某種程度上被低估，尤其是在嘗試將光纖跨段最大化這一方面。
本文將介紹光信噪比 (OSNR) 的概念及其重要性，以及網絡的 OSNR 不佳所造成的后果，同時還將介紹目前市場中出現的 OSA，最后將說明如何使用 OSA 來充分開發光纖鏈路。
光信噪比
OSNR 的概念在鑒定 WDM 網絡方面至關重要。它能夠定量檢測信號沿光纖傳播途中，被噪聲干擾的程度。計算方法是將信號總功率除以 0.1 nm 帶寬中的噪聲功率。圖 1 示出了 OSA 測量的典型信號，其功率約為 -22 dBm，背景噪聲約為 -46 dBm；因此，該示例中 OSNR 約為 24 dB。
圖 1. 光信噪比 (OSNR) 示例
OSNR 的重要性
為何測量 OSNR 很重要？OSNR 與誤碼率 (BER) 之間存在直接關系，其中 BER 是衡量傳輸質量的終極值。如圖 2 中所詳述，OSNR 越高則誤碼率越低，也即傳輸錯誤越少。相反，OSNR 較低（或較差）可能會增加維修用車、降低服務質量 (QoS)（請參閱圖 3）。
圖 2. OSNR、BER 和 QoS 之間的關系
圖 3. OSNR 較低（或較差）的影響
網絡的 OSNR
探討 OSNR 隨著信號在光纖中傳播所發生的變化十分有趣。圖 4 顯示了一種典型網絡實現，由在一條光纖上復用的八個波長組成。（請注意，在傳播路徑中使用了四個摻鉺光纖放大器 (EDFA) 來提升信號功率。）如圖所示，每個 EDFA 都會放大已經存在的信號和噪聲，同時自身也會產生噪聲。因此，OSNR 在信號相繼通過放大器后會下降。由于 OSNR 隨距離變化，所以通常會在網絡的不同位置監測 OSNR，而不僅僅是在發送器端和接收器端監測。
圖 4. 在光纖中傳播時 OSNR 的演進
網絡中的噪聲源
EDFA 是網絡中的主要噪聲源，來自稱為“放大自發輻射”(ASE) 的過程。典型的 EDFA 包含激光器（稱為“泵浦”源），如果工作在 980 nm波長，則將鉺離子從基態 L1 激發至 L3（請參閱圖 5）；如果工作在 1480 nm 波長，則從 L1 激發至 L2。處于 L3 的離子很快就衰變到 L2。如果光纖中有 1550 nm 的信號通過，則信號光子會激發能級 L2 的離子下降到 L1，產生一個與信號光子具有相同波長，相同傳播方向的新光子。信號因而會通過受激輻射得到放大。鉺離子也可以通過自發輻射從 能級 L2 衰減至 L1，這種情況會隨機發生并產生光子。這些光子同樣能夠使鉺離子產生受激輻射，并得到放大，從而導致 ASE 噪聲。相應地，每個 EDFA 都會因為其 ASE 而降低已放大信號的 OSNR。如果信號相繼通過多個 EDFA，則第一個 EDFA 通常會導致 OSNR 下降約 3 dB，之后的 EDFA 導致的 OSNR 下降量少于 3 dB。
圖 5. EDFA 中的自發輻射和受激輻射
市場中當前出現的 OSA
在典型的激活和試運行過程中，現場技術人員可能會首先使用光纖探測器來確認連接器是否清潔，然后使用功率計測試光纖中的損耗。如果損耗大于通過值，則現場技術人員會使用光時域反射儀 (OTDR) 來查找故障，而測試順序的最后一步通常是 BER 測試。然后，服務開通團隊會打開發送器并執行 OSA 測量，以檢查每個通道的中心波長和功率級別，在某些情況下也會檢查 OSNR。在這種情況下，在冗長的要執行的測試列表中，OSA 測量可能會被視為用處不大的額外測量。事實上，這種錯誤假設忽視了 OSA 在充分利用光纖網絡方面的真正價值。
如何使用 OSA 將網絡的潛力最大化
網絡性能評估的最緊要的一套指標（通道平坦度、最小功率等）里，OSA 是極少數能夠發揮網絡最大潛力的測量工具之一。使用 OSA 可以執行以下三項操作來優化網絡性能：增加通道數量；增加數據速率；在實驗室中測試不同網絡配置。
通過測量 OSNR、通道間距和信號光譜寬度，OSA 允許網絡規劃人員判斷是否能夠增加通道數量（圖 6）。假設網元可以處理更緊密的通道間距（例如,考慮復用/解復用），那么增加額外的通道可以輕松增加光纖徑距的帶寬。
圖 6. 使用 OSA 判斷是否可以增加通道數量
第二，OSA 使得技術人員能夠判斷是否可以增加光纖徑距的數據速率，因為它可以測量信號的光譜寬度。眾所周知，信號的光譜寬度隨著數據速率的增加而增加。例如，如果 10 Gbits/s 通道在圖 7 中顯示為黑色，則數據速率可以增加至 40 Gbit/s（以紅色顯示）而不會影響網絡性能，只要在色度色散 (CD) 和偏振模色散 (PMD) 的容限內。重要的是要確保更大的光譜寬度不會導致通道重疊，否則可能會增加 BER。因此，更高的數據速率會進一步優化光纖容量的使用。
圖 7. 使用 OSA 判斷是否可以增加數據速率
10 Gbit/s 的通道顯示為黑色，而 40 Gbit/s 的通道顯示為紅色。
通過 OSA 充分利用網絡潛力的第三種方式是，允許在實驗室環境中測試不同網絡配置。事實上，網絡設計者/規劃者希望在推出之前（于實驗室中）評估放大器的數量、位置和增益以及色散補償器的位置、通過 #p#分頁標題#e#ROADM 分插波長等原因對網絡造成的影響。OSA 是唯一一款能夠從全局角度反映所有這些因素在光學層上所造成的后果的儀器，同時還能夠識別可能的問題以及可以改善的領域。
結論
OSA 是一款功能強大的測量設備，可以測量 OSNR 并鑒定光纖鏈路，因為 OSNR 與 BER 直接相關。OSNR 不佳會增加維修用車、延長停機時間等，從而對網絡造成負面影響。除此之外，使用 OSA 可以通過增加通道數量、提升數據速率或測試不同網絡配置來充分利用網絡容量。
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