光信噪比 (OSNR) 的概念及其重要性

光谱分析  光纤网络  光信噪比

 

光谱分析仪 (OSA) 最初用于测量光信号的功率谱。在引入了波分复用 (WDM) 之后，光谱分析仪得到普及，因为标准功率计无法区分多个波长（通道下的光功率）。然而，尽管大多数人都熟悉 OSA 的典型应用，即对网络进行故障排除或者测量通道功率和噪声级别，但是由于种种原因，这些独特的测量设备仍未获得市场的广泛认可。其中一个原因是，OSA 的真实能力在某种程度上被低估，尤其是在尝试将光纤跨段最大化这一方面。

　　

本文将介绍光信噪比 (OSNR) 的概念及其重要性，以及网络的 OSNR 不佳所造成的后果，同时还将介绍目前市场中出现的 OSA，最后将说明如何使用 OSA 来充分开发光纤链路。

　　

光信噪比

 

OSNR 的概念在鉴定 WDM 网络方面至关重要。它能够定量检测信号沿光纤传播途中，被噪声干扰的程度。计算方法是将信号总功率除以 0.1 nm 带宽中的噪声功率。图 1 示出了 OSA 测量的典型信号，其功率约为 -22 dBm，背景噪声约为 -46 dBm；因此，该示例中 OSNR 约为 24 dB。
 

图 1. 光信噪比 (OSNR) 示例

OSNR 的重要性

　　

为何测量 OSNR 很重要？OSNR 与误码率 (BER) 之间存在直接关系，其中 BER 是衡量传输质量的终极值。如图 2 中所详述，OSNR 越高则误码率越低，也即传输错误越少。相反，OSNR 较低（或较差）可能会增加维修用车、降低服务质量 (QoS)（请参阅图 3）。
 

图 2. OSNR、BER 和 QoS 之间的关系
 

图 3. OSNR 较低（或较差）的影响

　　

光谱分析仪 (OSA) 最初用于测量光信号的功率谱。在引入了波分复用 (WDM) 之后，光谱分析仪得到普及，因为标准功率计无法区分多个波长（通道下的光功率）。然而，尽管大多数人都熟悉 OSA 的典型应用，即对网络进行故障排除或者测量通道功率和噪声级别，但是由于种种原因，这些独特的测量设备仍未获得市场的广泛认可。其中一个原因是，OSA 的真实能力在某种程度上被低估，尤其是在尝试将光纤跨段最大化这一方面。

　　

网络的 OSNR

　

探讨 OSNR 随着信号在光纤中传播所发生的变化十分有趣。图 4 显示了一种典型网络实现，由在一条光纤上复用的八个波长组成。（请注意，在传播路径中使用了四个掺铒光纤放大器 (EDFA) 来提升信号功率。）如图所示，每个 EDFA 都会放大已经存在的信号和噪声，同时自身也会产生噪声。因此，OSNR 在信号相继通过放大器后会下降。由于 OSNR 随距离变化，所以通常会在网络的不同位置监测 OSNR，而不仅仅是在发送器端和接收器端监测。

图 4. 在光纤中传播时 OSNR 的演进
 

网络中的噪声源

　　

EDFA 是网络中的主要噪声源，来自称为“放大自发辐射”(ASE) 的过程。典型的 EDFA 包含激光器（称为“泵浦”源），如果工作在 980 nm波长，则将铒离子从基态 L1 激发至 L3（请参阅图 5）；如果工作在 1480 nm 波长，则从 L1 激发至 L2。处于 L3 的离子很快就衰变到 L2。如果光纤中有 1550 nm 的信号通过，则信号光子会激发能级 L2 的离子下降到 L1，产生一个与信号光子具有相同波长，相同传播方向的新光子。信号因而会通过受激辐射得到放大。铒离子也可以通过自发辐射从 能级 L2 衰减至 L1，这种情况会随机发生并产生光子。这些光子同样能够使铒离子产生受激辐射，并得到放大，从而导致 ASE 噪声。相应地，每个 EDFA 都会因为其 ASE 而降低已放大信号的 OSNR。如果信号相继通过多个 EDFA，则第一个 EDFA 通常会导致 OSNR 下降约 3 dB，之后的 EDFA 导致的 OSNR 下降量少于 3 dB。

图 5. EDFA 中的自发辐射和受激辐射

市场中当前出现的 OSA

　　

在典型的激活和试运行过程中，现场技术人员可能会首先使用光纤探测器来确认连接器是否清洁，然后使用功率计测试光纤中的损耗。如果损耗大于通过值，则现场技术人员会使用光时域反射仪 (OTDR) 来查找故障，而测试顺序的最后一步通常是 BER 测试。然后，服务开通团队会打开发送器并执行 OSA 测量，以检查每个通道的中心波长和功率级别，在某些情况下也会检查 OSNR。在这种情况下，在冗长的要执行的测试列表中，OSA 测量可能会被视为用处不大的额外测量。事实上，这种错误假设忽视了 OSA 在充分利用光纤网络方面的真正价值。

　　

如何使用 OSA 将网络的潜力最大化

　　

网络性能评估的最紧要的一套指标（通道平坦度、最小功率等）里，OSA 是极少数能够发挥网络最大潜力的测量工具之一。使用 OSA 可以执行以下三项操作来优化网络性能：增加通道数量；增加数据速率；在实验室中测试不同网络配置。

　　

通过测量 OSNR、通道间距和信号光谱宽度，OSA 允许网络规划人员判断是否能够增加通道数量（图 6）。假设网元可以处理更紧密的通道间距（例如,考虑复用/解复用），那么增加额外的通道可以轻松增加光纤径距的带宽。

图 6. 使用 OSA 判断是否可以增加通道数量

第二，OSA 使得技术人员能够判断是否可以增加光纤径距的数据速率，因为它可以测量信号的光谱宽度。众所周知，信号的光谱宽度随着数据速率的增加而增加。例如，如果 10 Gbits/s 通道在图 7 中显示为黑色，则数据速率可以增加至 40 Gbit/s（以红色显示）而不会影响网络性能，只要在色度色散 (CD) 和偏振模色散 (PMD) 的容限内。重要的是要确保更大的光谱宽度不会导致通道重叠，否则可能会增加 BER。因此，更高的数据速率会进一步优化光纤容量的使用。

图 7. 使用 OSA 判断是否可以增加数据速率

　　10 Gbit/s 的通道显示为黑色，而 40 Gbit/s 的通道显示为红色。

　　

通过 OSA 充分利用网络潜力的第三种方式是，允许在实验室环境中测试不同网络配置。事实上，网络设计者/规划者希望在推出之前（于实验室中）评估放大器的数量、位置和增益以及色散补偿器的位置、通过 ROADM 分插波长等原因对网络造成的影响。OSA 是唯一一款能够从全局角度反映所有这些因素在光学层上所造成的后果的仪器，同时还能够识别可能的问题以及可以改善的领域。

　　

结论

　　

OSA 是一款功能强大的测量设备，可以测量 OSNR 并鉴定光纤链路，因为 OSNR 与 BER 直接相关。OSNR 不佳会增加维修用车、延长停机时间等，从而对网络造成负面影响。除此之外，使用 OSA 可以通过增加通道数量、提升数据速率或测试不同网络配置来充分利用网络容量。