密集光波分復(fù)用系統(tǒng)的波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)

1、密集光波分復(fù)用系統(tǒng)的波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)    摘要：本文闡述密集光波分復(fù)用系統(tǒng)的概況、系統(tǒng)的測(cè)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(yīng)用方式與相關(guān)測(cè)量?jī)x表的展望。  信息時(shí)代信息爆炸導(dǎo)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(wù)量約6-9個(gè)月翻一番，達(dá)到了所謂的“光速經(jīng)濟(jì)”的時(shí)期，它比微電子芯片性能發(fā)展的摩爾法則（約18個(gè)月翻一番）快2-3倍，而且迄今這種發(fā)展勢(shì)頭不減。面對(duì)這種發(fā)展趨勢(shì)，各個(gè)通信發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極研究設(shè)計(jì)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

2、層都是密集光波分復(fù)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(wù)承載容量以及低廉的使用費(fèi)用，確保網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展，支持當(dāng)前和未來(lái)的任何業(yè)務(wù)信號(hào)的傳送要求。 1密集光波分復(fù)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(hào)波長(zhǎng)低的高能量光泵源將能量輻射進(jìn)一段摻鉺光纖中，當(dāng)載有凈負(fù)荷的光波通過(guò)此段光纖一起傳播時(shí)，完成光能量的轉(zhuǎn)移，使在1530-1565m波長(zhǎng)范圍內(nèi)各個(gè)光波承載的凈負(fù)荷信號(hào)全都得到放大，彌補(bǔ)了光纖線路的能量損失。這樣，當(dāng)用EDFA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光通信鏈

3、路中的中繼段設(shè)備時(shí)，就能以最少的費(fèi)用直接通過(guò)增加波長(zhǎng)數(shù)增大傳輸容量，使整個(gè)光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)都大大簡(jiǎn)化，并便于施工維護(hù)。 EDFA在DWDM系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用時(shí)又分為功放或后置放大器（BA），預(yù)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(jiǎn)化，盡量減少設(shè)備品種，統(tǒng)一為OA，以便于維護(hù)。 目前商用的DWDM系統(tǒng)的每個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)速率是2.5Gbps，或10Gbps，波長(zhǎng)數(shù)為4、8、16、32等；40、80甚至132個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（Wavelength Transpond

4、er）OTU。這一類配置是開(kāi)放式的，采用這種可以使用現(xiàn)有的1310nm和1550nm波長(zhǎng)區(qū)的任一廠家的光發(fā)送與光接收機(jī)模塊；波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器將這些非標(biāo)準(zhǔn)的光波長(zhǎng)信號(hào)變換到1550nm窗口中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)光波長(zhǎng)信號(hào)，以便在DWDM系統(tǒng)中傳輸。美國(guó)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(xué)性能參數(shù)。如Ciena公司采用的信道波長(zhǎng)間隔為0.8nm，對(duì)應(yīng)100GHz的帶寬，在1545.3-1557.4nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供16個(gè)光波信道或光路。但他們沒(méi)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(diǎn)是應(yīng)用靈活、通

5、用性強(qiáng)，缺點(diǎn)是增加波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、成本較高。另一類配置是不用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，將波分復(fù)用、解復(fù)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(jiǎn)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(tái)上進(jìn)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(yīng)商，有條件這樣做。他們?cè)谧?×2.5G32bpsDWDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮與4×10Gbps速率的兼容，考慮增加至8個(gè)波長(zhǎng)、16個(gè)波長(zhǎng)、基至40個(gè)波長(zhǎng)、80個(gè)波長(zhǎng)，以及2.5Gbps和10Gbps的混合應(yīng)用，確保系統(tǒng)在線不斷擴(kuò)容，平滑過(guò)渡，不

6、影響通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)。當(dāng)然，他們也提供開(kāi)放式配置，或發(fā)送是開(kāi)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(fù)用光波長(zhǎng)多在1550nm附近。后來(lái)實(shí)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(duì)應(yīng)200GHz）的波長(zhǎng)間隔，則最少可實(shí)現(xiàn)8波長(zhǎng)，乃至16波長(zhǎng)的同步放大；若以0.8nm（對(duì)應(yīng)100GHz）的波長(zhǎng)間隔，則最少可實(shí)現(xiàn)16個(gè)波長(zhǎng)，乃至32個(gè)波長(zhǎng)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4-5d

7、B的低噪聲值等優(yōu)越性能，故極大地促進(jìn)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(hào)的同時(shí)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(hào)在光放大器中一起放大，并逐級(jí)積累形成干擾信號(hào)，即熟知的放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，簡(jiǎn)寫(xiě)為ASE）干擾信號(hào)。這種ASE干擾信號(hào)經(jīng)多經(jīng)光放積累的功率會(huì)大到1-2mW，其頻譜分布與波長(zhǎng)增益譜對(duì)應(yīng)。 這就是為什么經(jīng)過(guò)若干個(gè)OLA放大后必須經(jīng)過(guò)光電變換，分別取出各波長(zhǎng)光路的電信號(hào)進(jìn)行定時(shí)、整形與再生（3R

8、），完成光數(shù)字信號(hào)處理的主要原因，它決定了電中繼段或復(fù)用段的最大距離或最大光中繼段數(shù)。當(dāng)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(jì)作光功率預(yù)算時(shí)，哪個(gè)因素要求最嚴(yán)格來(lái)確定。 2DWDM系統(tǒng)的測(cè)試要求 以SDH終端設(shè)備為基礎(chǔ)的多波長(zhǎng)密集光波分復(fù)用系統(tǒng)和單波長(zhǎng)SDH系統(tǒng)的測(cè)試要求差別很大。首先，單波長(zhǎng)光通信系統(tǒng)的精確波長(zhǎng)測(cè)試是不重要的，只需用普通的光功率計(jì)測(cè)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(jì)到一個(gè)特定的波長(zhǎng)值，例如是1310nm還是1550nm，僅用作不同波長(zhǎng)區(qū)光系統(tǒng)光源發(fā)光功率測(cè)試的較準(zhǔn)與修正，因?yàn)閷?duì)寬光譜的功率計(jì)而言，光源波長(zhǎng)

9、差幾十nm時(shí)測(cè)出的光功率值的差別也不大?？墒?，對(duì)DWDM系統(tǒng)就完全不同了，系統(tǒng)有很多波長(zhǎng)，很多光路，要分別測(cè)出系統(tǒng)中每個(gè)光路的波長(zhǎng)值與光功率大小，才能共發(fā)判斷出是哪個(gè)波長(zhǎng)，哪個(gè)光路系統(tǒng)出了問(wèn)題。由于各個(gè)光路的波長(zhǎng)間隔通常是1.6nm（200GHz）、0.8nm（GHz），甚至0.4nm（50GHz），故必須有波長(zhǎng)選擇性的光功率計(jì)，即波長(zhǎng)計(jì)或光譜分析儀才能測(cè)出系統(tǒng)的各個(gè)光路的波長(zhǎng)值和光功率的大小，因此，用一般的光功率計(jì)測(cè)出系統(tǒng)的總光功率值是不解決問(wèn)題。其次，為了平滑地增加波長(zhǎng)、擴(kuò)大DWDM系統(tǒng)容量，或?yàn)榱遂`活地調(diào)度、調(diào)整電路和網(wǎng)絡(luò)的容量，需要減少某個(gè)DWDM系統(tǒng)的波長(zhǎng)數(shù)，即要求DWDM系統(tǒng)在增加

10、或減少波長(zhǎng)數(shù)時(shí)，總的輸出光功率基本穩(wěn)定。這樣，當(dāng)有某個(gè)光路、某個(gè)凈負(fù)荷載體，即光波長(zhǎng)或光載頻失效時(shí)，又用普通光功率計(jì)測(cè)量總光功率值是無(wú)? 治侍獾模蛭渙礁齬庠仄倒蝕蟠蠼檔突蚴宰艿墓夤手滌跋旌芐聳保匭攵愿鞲齬庠仄檔墓式醒裥圓飭浚喚霾獬齬夤實(shí)縉街擔(dān)一棺既返夭獬鼉嚀宓牟島螅拍莧非兄朗悄母霾奶豕飴煩雋宋侍狻獠喚鱸諗卸瞎飴飯收鮮狽淺匾以諳低嘲滄啊韃夂腿粘幣埠苤匾?nbsp;此外，為了測(cè)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(zhǎng)或各光路的功率電平差值時(shí)，也必須測(cè)量出各光路的波長(zhǎng)值和光功率值。 為便于查尋光線路放大器的故障，除測(cè)量各個(gè)光路的波長(zhǎng)值和光功率外，還要測(cè)量出各個(gè)光路的信噪比（O

11、SNR）。這里，在測(cè)量OSNR時(shí)要注意測(cè)量?jī)x表的噪聲帶寬。例如用HP70952B光譜分析儀（噪聲帶寬1nm）測(cè)量的OSNR要比用Agilent 86121A WDM光路分析儀（噪聲帶寬0.1nm）測(cè)量出的OSNR低約10dB；這是因?yàn)榍罢呷〕龅脑肼暪β适呛笳呷〕龅脑肼暪β实?0倍，自然，前者測(cè)出的OSNR要低約10db（因光信號(hào)功率測(cè)量有差別）。 由于DWDM系統(tǒng)有n個(gè)波長(zhǎng)，n個(gè)光路，等效于n個(gè)虛SDH光通信系統(tǒng)，故在系統(tǒng)的重要測(cè)量點(diǎn)必須有光分路器（分光器），以避免在做波長(zhǎng)和功率測(cè)量時(shí)中斷系統(tǒng)，造成大量業(yè)務(wù)丟失。 為便于比較對(duì)照，將OSP-102/OMS

12、-100組合測(cè)試儀和一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)測(cè)試，需要有輕便靈巧的可調(diào)諧光濾波器選擇光波長(zhǎng)。它是一個(gè)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(duì)分開(kāi)的距離是可普的。其濾波原理是：對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的光，當(dāng)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(shí)，濾波器對(duì)該波長(zhǎng)的光是直通的，而對(duì)其他波長(zhǎng)的光會(huì)引入很大的衰減。 這種可調(diào)諧光濾波器與光分度計(jì)或旋轉(zhuǎn)干涉濾波器相比有很多優(yōu)點(diǎn)。它沒(méi)有軸承、軸、馬達(dá)等，不

13、存在由于連續(xù)持久的操作引起磨損、破裂等問(wèn)題；結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)實(shí)，對(duì)振動(dòng)不敏感。它是不可逆的光器件，無(wú)論是衰減，還是通常波長(zhǎng)均與輸入光波的射線極化無(wú)關(guān)；這一優(yōu)點(diǎn)在有幾個(gè)波長(zhǎng)激光器都調(diào)整到有相同輸出光功率時(shí)尤其重要。 4便攜式光譜分析儀 適用于DWSM系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)測(cè)與日常維護(hù)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(jī)配合專用于DWDM系統(tǒng)測(cè)試的便攜式光譜分析儀為例，說(shuō)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

14、應(yīng)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(cè)的波長(zhǎng)范圍調(diào)整移動(dòng)，將以圖形方式顯示測(cè)量結(jié)果，可用游標(biāo)定位估計(jì)波長(zhǎng)、功率數(shù)值，以及各波長(zhǎng)和功率差值的測(cè)試數(shù)據(jù)。還可用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)兩個(gè)光譜的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 （2）光纖系統(tǒng)方式 用表列出直到16個(gè)光路或波信道的被測(cè)試的波長(zhǎng)、功率和S/N。這種應(yīng)用方式對(duì)光纖通信系統(tǒng)的日常維護(hù)測(cè)試特別有用。因?yàn)樵贒WDM系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，通常不希望光載頻信號(hào)的功率超過(guò)規(guī)定的容限。 （3）光功率計(jì)方式 可調(diào)諧光濾波器固定調(diào)整到所選的波長(zhǎng)，以數(shù)字顯示該波長(zhǎng)的光功率，就可以用來(lái)檢測(cè)該光路或信道光載頻功率

15、隨時(shí)間的變化，即穩(wěn)定程度。這一方式在檢測(cè)中斷故障時(shí)尤其有用。 （4）監(jiān)視器輸出方式 將被濾出的光信號(hào)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(wù)的條件下對(duì)DWDM系統(tǒng)的某指定波信道進(jìn)行比特誤碼率測(cè)試，也可具體檢測(cè)出哪一個(gè)波信道傳輸有問(wèn)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(shí)分復(fù)用與光波分復(fù)用這兩種主要擴(kuò)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(fù)用系統(tǒng)已經(jīng)商用，所有的波長(zhǎng)都落在常規(guī)的C帶（波段）內(nèi)（1530-1565nm）；它又可分為藍(lán)帶和紅帶。光路間隔已從1

16、00GHz（0.8nm）縮小到50GHz（0.4nm）。進(jìn)一步增加波長(zhǎng)數(shù)，例如增加到160波以上時(shí)將要應(yīng)用L帶（1565-1625nm），即所謂的第4代WDM光通信系統(tǒng)。為了適應(yīng)波長(zhǎng)數(shù)不斷增加的DWDM系統(tǒng)迅速發(fā)展的形勢(shì)，測(cè)量?jī)x表和測(cè)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(duì)DWDM市場(chǎng)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(zhǎng)測(cè)量精度高，在1520nm時(shí)可達(dá)到±0.01nm的測(cè)量精度。AQ6317B是測(cè)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(dòng)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(zhǎng)，能