密集光波分复用系统的波长测量技术

　　摘要：本文阐述密集光波分复用系统的概况、系统的测试要求，可调谐光滤器的结构，以及便携式光谱分析仪的应用方式与相关测量仪表的展望。

　　信息时代信息爆炸导致通信带宽需求或通信网络容量爆增。如近期北美骨干网的业务量约6-9个月翻一番，达到了所谓的“光速经济”的时期，它比微电子芯片性能发展的摩尔法则（约18个月翻一番）快2-3倍，而且迄今这种发展势头不减。面对这种发展趋势，各个通信发达国家都在积极研究设计新的宽带网络，如可持续发展网络CUN、下一代网络NGN、新公众网NPN、一体化网UN等，但其基础传输媒质的物理层都是密集光波分复用（DWDM）的光传送网OTN。不如此就不可能提供巨大的通信带宽，高度可靠的传输性能，足够的业务承载容量以及低廉的使用费用，确保网络的可持续发展，支持当前和未来的任何业务信号的传送要求。

　　1　密集光波分复用（DWDM）系统

　　DWDM系统主要由光合波器、光分波器和掺铒光纤放大器（EDFA）组成。其中EDFA的作用是由比信号波长低的高能量光泵源将能量辐射进一段掺铒光纤中，当载有净负荷的光波通过此段光纤一起传播时，完成光能量的转移，使在1530-1565m波长范围内各个光波承载的净负荷信号全都得到放大，弥补了光纤线路的能量损失。这样，当用EDFA代替传统的光通信链路中的中继段设备时，就能以最少的费用直接通过增加波长数增大传输容量，使整个光通信系统的结构和设计都大大简化，并便于施工维护。

　　EDFA在DWDM系统中实际应用时又分为功放或后置放大器（BA），预放或前置放大器（PA）和线路放大器（LA）3种，但有的公司为了简化，尽量减少设备品种，统一为OA，以便于维护。

　　目前商用的DWDM系统的每个波长的数据速率是2.5Gbps，或10Gbps，波长数为4、8、16、32等；40、80甚至132个波长的DWDM系统也已有产品。常用的有两类配置。一类是在光合波器前与在光分波器后设置波长转换器（Wavelength Transponder）OTU。这一类配置是开放式的，采用这种可以使用现有的1310nm和1550nm波长区的任一厂家的光发送与光接收机模块；波长转换器将这些非标准的光波长信号变换到1550nm窗口中规定的标准光波长信号，以便在DWDM系统中传输。美国的Ciena公司、欧洲的pirelli公司采用这类配置，他们是生产光器件的公司，通常，所生产的光分波合波器有较好的光学性能参数。如Ciena公司采用的信道波长间隔为0.8nm，对应100GHz的带宽，在1545.3-1557.4nm波长范围内提供16个光波信道或光路。但他们没有SDH传输设备，因此，在系统配置、网络管理方面不能统一考虑。此类配置的优点是应用灵活、通用性强，缺点是增加波长转换器、成本较高。另一类配置是不用波长转换器，将波分复用、解复用部分和传输系统产品集成在一起，这一类配置是一体的或集成的，这样简化了系统结构、降低了成本，而且便于将SDH传输设备和DWDM设备在同一网管平台上进行管理操作。这类配置的生产厂家如Lucent、Siemens、Nortel等，他们是SDH传输系统设备供应商，有条件这样做。他们在做4×2.5G32bpsDWDM系统设计时就考虑与4×10Gbps速率的兼容，考虑增加至8个波长、16个波长、基至40个波长、80个波长，以及2.5Gbps和10Gbps的混合应用，确保系统在线不断扩容，平滑过渡，不影响通信网的业务。当然，他们也提供开放式配置，或发送是开放式，接收为一体式的DWDM系统设备。

　　由于初期商用的EDFA带宽平坦范围在1540-1560nm，故早期使用的DWDM系统的复用光波长多在1550nm附近。后来实际EDFA的增益谱宽为35nm，约4.2THz，其中增益起伏小于1dB的谱宽在1539-1565nm之间，若以1.6nm（对应200GHz）的波长间隔，则最少可实现8波长，乃至16波长的同步放大；若以0.8nm（对应100GHz）的波长间隔，则最少可实现16个波长，乃至32个波长的DWDM系统，再加上EDFA约40dB的高增益，大于100mW的高输出功率，以及4-5dB的低噪声值等优越性能，故极大地促进了DWDM系统的快速发展。

　　正如电放大器那样，光放大器在放大光信号的同时也要引入噪声。它由光子的自发幅射（Spontaneous Emission）产生。此种噪声和光信号在光放大器中一起放大，并逐级积累形成干扰信号，即熟知的放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，简写为ASE）干扰信号。这种ASE干扰信号经多经光放积累的功率会大到1-2mW，其频谱分布与波长增益谱对应。

　　这就是为什么经过若干个OLA放大后必须经过光电变换，分别取出各波长光路的电信号进行定时、整形与再生（3R），完成光数字信号处理的主要原因，它决定了电中继段或复用段的最大距离或最大光中继段数。当然，其他因素例如允许的总的色散值也决定此电中继段的最大距离，这要由系统设计作光功率预算时，哪个因素要求最严格来确定。

　　2　DWDM系统的测试要求

　　以SDH终端设备为基础的多波长密集光波分复用系统和单波长SDH系统的测试要求差别很大。首先，单波长光通信系统的精确波长测试是不重要的，只需用普通的光功率计测量了光功率值就可判断光系统是否正常了。设置光功率计到一个特定的波长值，例如是1310nm还是1550nm，仅用作不同波长区光系统光源发光功率测试的较准与修正，因为对宽光谱的功率计而言，光源波长差几十nm时测出的光功率值的差别也不大。可是，对DWDM系统就完全不同了，系统有很多波长，很多光路，要分别测出系统中每个光路的波长值与光功率大小，才能共发判断出是哪个波长，哪个光路系统出了问题。由于各个光路的波长间隔通常是1.6nm（200GHz）、0.8nm（GHz），甚至0.4nm（50GHz），故必须有波长选择性的光功率计，即波长计或光谱分析仪才能测出系统的各个光路的波长值和光功率的大小，因此，用一般的光功率计测出系统的总光功率值是不解决问题。其次，为了平滑地增加波长、扩大DWDM系统容量，或为了灵活地调度、调整电路和网络的容量，需要减少某个DWDM系统的波长数，即要求DWDM系统在增加或减少波长数时，总的输出光功率基本稳定。这样，当有某个光路、某个净负荷载体，即光波长或光载频失效时，又用普通光功率计测量总光功率值是无法发现问题的，因为一两个光载频功率大大降低或失效，对总的光功率值影响很小。此时，必须对各个光载频的功率进行选择性测量，不仅测出光功率电平值，而且还准确地测出具体的波长数值后，才能确切知道是哪个波长哪条光路出了问题。这不仅在判断光路故障时非常必要，而且在系统安装、调测和日常维护时也很重要。

　　此外，为了测量光放大器增益光谱特性，尤其是增益平坦度，需找出各波长或各光路的功率电平差值时，也必须测量出各光路的波长值和光功率值。

　　为便于查寻光线路放大器的故障，除测量各个光路的波长值和光功率外，还要测量出各个光路的信噪比（OSNR）。这里，在测量OSNR时要注意测量仪表的噪声带宽。例如用HP70952B光谱分析仪（噪声带宽1nm）测量的OSNR要比用Agilent 86121A WDM光路分析仪（噪声带宽0.1nm）测量出的OSNR低约10dB；这是因为前者取出的噪声功率是后者取出的噪声功率的10倍，自然，前者测出的OSNR要低约10db（因光信号功率测量有差别）。

　　由于DWDM系统有n个波长，n个光路，等效于n个虚SDH光通信系统，故在系统的重要测量点必须有光分路器（分光器），以避免在做波长和功率测量时中断系统，造成大量业务丢失。

　　为便于比较对照，将OSP-102/OMS-100组合测试仪和一个典型的实验室用光谱分析仪OSA的技术规范列在一起。

　　3　可调谐光滤波器

　　为使具有光谱分析仪功能的仪表适合现场测试，需要有轻便灵巧的可调谐光滤波器选择光波长。它是一个可调法布里-泊罗（Fabry-Perot）滤波腔体，它的基本结构是由两块部分镀银的板构成反射平面，两块板相对分开的距离是可普的。其滤波原理是：对某个波长的光，当调节两块板之间的距离，使在两块板之间反射引起的部分射线在相位上完全重叠时，滤波器对该波长的光是直通的，而对其他波长的光会引入很大的衰减。

　　这种可调谐光滤波器与光分度计或旋转干涉滤波器相比有很多优点。它没有轴承、轴、马达等，不存在由于连续持久的操作引起磨损、破裂等问题；结构非常坚实，对振动不敏感。它是不可逆的光器件，无论是衰减，还是通常波长均与输入光波的射线极化无关；这一优点在有几个波长激光器都调整到有相同输出光功率时尤其重要。

　　4　便携式光谱分析仪

　　适用于DWSM系统现场安装调测与日常维护的便携式光谱分析仪，除去前已介绍的HP 70952B,Agilent 86121A外，现举OSP-102插件和OMS-100主机配合专用于DWDM系统测试的便携式光谱分析仪为例，说明采用可调谐光滤波器一方面使成本显著降低，一方面使重量减轻。体积缩小，有利于便携。为便于使用，还增加了下述分立的应用方式。

　　（1）光谱分析仪方式

　　用可调谐光滤波器沿着要选测的波长范围调整移动，将以图形方式显示测量结果，可用游标定位估计波长、功率数值，以及各波长和功率差值的测试数据。还可用存储器存储两个光谱的测试数据进行比较。

　　（2）光纤系统方式

　　用表列出直到16个光路或波信道的被测试的波长、功率和S/N。这种应用方式对光纤通信系统的日常维护测试特别有用。因为在DWDM系统的运行过程中，通常不希望光载频信号的功率超过规定的容限。

　　（3）光功率计方式

　　可调谐光滤波器固定调整到所选的波长，以数字显示该波长的光功率，就可以用来检测该光路或信道光载频功率随时间的变化，即稳定程度。这一方式在检测中断故障时尤其有用。

　　（4）监视器输出方式

　　将被滤出的光信号的一部分送到监视器输出，就能在不影响其他光路或波信道业务的条件下对DWDM系统的某指定波信道进行比特误码率测试，也可具体检测出哪一个波信道传输有问题。

　　5　展望

　　为了持续增加通信网络容量与通信带宽，光纤通信中电时分复用与光波分复用这两种主要扩容手段已结合，基础速率为2.5Gbps/10Gbps的8波、16波、32波、40波乃至80波的密集波分复用系统已经商用，所有的波长都落在常规的C带（波段）内（1530-1565nm）；它又可分为蓝带和红带。光路间隔已从100GHz（0.8nm）缩小到50GHz（0.4nm）。进一步增加波长数，例如增加到160波以上时将要应用L带（1565-1625nm），即所谓的第4代WDM光通信系统。为了适应波长数不断增加的DWDM系统迅速发展的形势，测量仪表和测量技术也在迎头赶上。例如Ando Electric公司最近推出一系列针对DWDM市场的解决方案。其中有AQ4321A/AQ4321D可调激光源，它不仅光输出功率高，而且波长测量精度高，在1520nm时可达到±0.01nm的测量精度。AQ6317B是测量DWDM系统和部件的高精度、高分辨率的光谱分析仪，它有大的动态范围，并同50GHz光路间隔的L带DWDM系统兼容。还有AQ8423Z光放大器分析仪，它覆盖C带和L带波长，能与AQ6317系统光谱分析仪配套。它可精确地测量噪声指数NF和光链路中光放大器的增益，分隔ASE光噪声和经过光放大器放大的光信号，并能达到最小光路间隔25GHz的最佳效果。当将AQ8423Z与AQ6317B联合使用时可测量多达200个光路的NF图形。最近又推出新的多波长测量仪，一次可完成多达256条光路的波长测量。总之，DWDM系统的测量技术和测试仪表正向着更多波长、更好的波长测量精度和可分辨出更小的光路间隔，即向着能满足未来更高波分密度、更巨大的网络容量的传输设备的要求发展。 

　　摘自《广播电视信息》