如何利用光频谱分析仪充分发挥现有光纤网络的潜力

光频谱分析仪(OSA) 最初是为测量信号光功率随波长或频率的变化而引入的。随着波分复用 (WDM) 技术的出现，OSA 开始流行起来，因为标准功率计无法区分不同的波长。然而，尽管大多数人都熟悉 OSA 在网络故障排除或测量信道功率和噪声水平方面的典型应用，但由于种种原因，这些独特的测量设备并未在市场上得到广泛认可。其中一个原因是，OSA 的真实功率在一定程度上被低估了，尤其是在试图最大化光纤跨距的潜力时。

本文介绍了光信噪比(OSNR) 的概念及其重要性，以及 OSNR 差对网络的影响，探讨了 OSA 在市场上的现状，最后展示了如何使用 OSA 来充分利用光纤链路。

光信噪比

光信噪比(OSNR) 的概念是表征波分复用 (WDM) 网络的关键。它定量地衡量信号在光纤中传播过程中受噪声干扰的程度。其计算方法是将总信号功率除以 0.1 nm 带宽内的噪声功率。图 1 显示了由光频谱分析仪 (OSA) 测得的典型信号，其功率约为 -22 dBm，噪声基底约为 -46 dBm；因此，在本例中，OSNR 约为 24 dB。

图1. 光信噪比 (OSNR) 示例。

OSNR的重要性

为什么测量光信噪比(OSNR) 很重要？OSNR 与误码率 (BER) 之间存在直接关系，而 BER 是衡量传输质量的最终指标。如图 2 所示，更高的 OSNR 意味着更低的误码率，也就是更少的传输错误。反之，低（或较差）的 OSNR 会对故障排查次数、服务质量 (QoS) 等产生不利影响（见图 3）。

图2. OSNR、BER 和 QoS 之间的关系。

图3. 低（或差）OSNR 的影响。

网络OSNR

研究信号在光纤中传播时的光信噪比(OSNR) 变化很有意义。图 4 展示了一个典型的网络实现方案，该方案在一根光纤上复用了八个波长。（需要注意的是，使用了四个掺铒光纤放大器 (EDFA) 来增强沿传播路径的信号功率。）如图所示，每个 EDFA 都会放大信号和已有的噪声，并且还会引入自身的噪声。因此，随着信号依次通过放大器，OSNR 会逐渐降低。由于 OSNR 会随距离变化，因此通常需要在网络中的不同位置监测 OSNR，而不仅仅是在发射端或接收端。

图4. 光纤中传播时 OSNR 的演变。

网络噪声的来源

由于一种称为“放大自发辐射”（ASE）的过程，掺铒光纤放大器（EDFA）是网络中的主要噪声来源。典型的EDFA包含一个激光器（称为“泵浦光”），当其工作波长为980 nm时，它会将铒离子从基态L1激发到能级L3（见图5）；当其工作波长为1480 nm时，则会将铒离子从L1激发到能级L2。处于L3能级的铒离子会迅速衰变到L2能级。如果光纤中存在波长为1550 nm的信号，信号光子会激发一个铒离子从能级L2衰变到能级L1，从而产生另一个与信号光子具有相同波长和传播方向的光子。因此，信号会通过受激辐射被放大。铒离子也可以通过自发辐射从能级L2衰变到能级L1，这种自发辐射是随机发生的，并产生光子。这些光子可以与其他铒离子相互作用并被放大，从而产生ASE，即噪声。因此，每个EDFA都会因其ASE效应而降低放大信号的OSNR。如果信号依次经过多个EDFA，第一个EDFA通常会使OSNR降低约3 dB，而后续的EDFA使OSNR降低的幅度则小于3 dB。

图5. EDFA 中的自发发射和模拟发射。

市场对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSA）的当前认知

在典型的激活和调试过程中，现场技术人员首先会使用光纤探针检查连接器是否清洁，然后用功率计测试光纤损耗。如果损耗大于合格值，现场技术人员会使用光时域反射仪(OTDR) 定位故障，测试流程通常以误码率 (BER) 测试结束。接下来，开通团队会开启发射机，并进行光频谱分析仪 (OSA) 测量，以检查每个信道的中心波长和功率水平，在某些情况下还会测量光信噪比 (OSNR)。在这种情况下，OSA 测量可能会被视为冗长测试清单中一项多余的、无用的测量。事实上，这种错误的假设忽略了 OSA 在充分发挥光纤网络性能方面的真正价值。

如何利用OSA 最大程度地发挥网络潜力

除了确认是否满足网络性能评估的最低标准（例如信道平坦度、最小功率等）之外，OSA 还是少数几种能够充分发挥网络潜力的测量工具之一。利用 OSA 可以采取三种措施来优化网络性能：增加信道数量；提高数据速率；以及在实验室中测试不同的网络配置。

通过测量光信噪比（OSNR）、信道间隔和信号频谱宽度，OSA 可以帮助网络规划人员确定是否可以增加信道数量（图 6）。假设网络元件能够处理更小的信道间隔（例如，考虑复用/解复用器），那么增加额外的信道就可以轻松提高光纤跨段的带宽。

图6. 使用 OSA 确定是否可以增加通道数。

其次，OSA（频谱分析仪）能够测量信号的频谱宽度，从而确定是否可以提高光纤链路的数据速率。众所周知，信号的频谱宽度会随着数据速率的增加而增加。例如，如果图 7 中黑色通道显示的是 10 Gbit/s 的信道，那么只要在色散 (CD) 和偏振模色散 (PMD) 的容差范围内，数据速率就可以提高到 40 Gbit/s（红色通道），而不会影响网络性能。重要的是要确保更大的频谱宽度不会导致信道重叠，因为这会降低误码率 (BER)。因此，更高的数据速率可以更有效地利用光纤容量。

图7. 使用 OSA 确定是否可以提高数据速率。10 Gbit/s 的信道以黑色显示，而 40 Gbit/s 的信道以红色显示。

第三种利用OSA发挥网络潜力的方法是，在实验室环境中测试不同的网络配置。实际上，在正式部署之前，网络设计人员/规划人员希望在实验室中评估放大器的数量、位置和增益，以及色散补偿器的位置、ROADM对波长的增减等因素对网络的影响。OSA是唯一能够从光学层面全面展现所有这些因素影响的仪器，同时还能识别潜在问题或改进方向。

结论

OSA 是一种功能强大的测量设备，可用于测量 OSNR 并评估光纤链路的性能，因为 OSNR 与 BER 直接相关。OSNR 过低会对网络造成不利影响，例如增加现场维护次数、延长停机时间等。此外，OSA 还可用于充分发挥网络容量，例如增加信道数量、提高数据速率或测试不同的网络配置。