基于DWDM技术的最简单光谱分析仪装置

一．面对DWDM测试挑战

密集波分复用（DWDM）是作为电信服务提供商的关键性全局解决方案出现的。这项技术提供可扩展带宽，克服了其它方案耗费光纤带宽的缺点，能处理不同的数据格式和比特率，易于集成到当前网络架构之中，并且价格合理。
但DWDM技术也要求测试设备制造商设计出现场和实验室环境下性能同样优异的测试仪器。在保证高性能的基础上，现场测试仪器还要易于操作，即便是网络管理者没有时间尝试和掌握新技术也没问题。

便携式光谱分析仪能够测量DWDM系统大部分参数，用于安装、试车、维护和故障定位，也可以持续监视DWDM信号的关键参数以检测系统稳定性，在保证DWDM系统正常运行中扮演着不可或缺的角色。

二．测量原理

光谱分析仪能将光波信号按其各组成部分的波长分解，这意味着在一定波长范围内可以清晰地看到光谱轮廓。光谱轮廓以图形方式显示，横轴为波长，纵轴为对应功率，如图1所示。用这种方法可以将单根光纤上的DWDM成分信号分开，进行单个通道的分析，也可以分析各通道的谱间干扰。

图1 典型的光谱分析仪曲线

在现场测试应用中，衍射光栅是将光波分解成组分(颜色)的首选方法。顾名思义，衍射光栅是一个色散元件，由于表面刻有大量精密平行刻槽，能将输入光信号分解即衍射成光谱。光信号一旦被衍射，就可以把一个探测器调整到和某一特定波长对准，检测出其功率大小。要测量另一波长信号，探测器必须再被调整到这一要测量的波长上，依次类推，从而测量出光信号的光谱图。

图2示出了一个使用固定探测器—单通单色仪的最简单的光谱分析仪装置。今天的光谱分析仪已经采用更新式的色散光栅排列、多通道方案以及更有效的功率检测方法对这一基本设计做了改进。

图2 简单的光谱分析仪设计

三．光谱分析仪的关键指标

一台光谱分析仪的可接受动态范围是多少？为什么宽波长范围是优点？分辨带宽为什么重要？对这些问题的回答取决于用户的具体需要、标准化机构制订的规范及DWDM工业发展趋势。

从网络运营商的角度来讲，光谱分析仪必须容易使用、便携，而且坚固。再者，光学性能必须满足目前的测试需要及可预见的发展要求，以免很快过时。

对于标准制定者，功率准确度、动态范围和分辨率带宽是最重要的参数。指标的标准今天已被广泛接受，但标准制定者必须确保他们的建议建立于客观准则和可靠实验的基础之上—这是一个耗费时间的过程。

系统制造商和集成商也是指标的可靠来源，他们也发展了一些经验性的规范，以使其系统不仅满足当今通信业务的要求，还要满足类似DWDM等可升级技术的未来要求。

1．光抑制比

光抑制比（ORR）是光谱分析仪最重要的指标之一，定义为光谱分析仪在距离载波峰值某一给定距离位置上可以测量到的最大光噪声比。

图3是两个由同一个信号测得的光谱曲线对比。上面的曲线由光抑制比较差的光谱分析仪测得，下面的曲线则由光抑制比较好的光谱分析仪测得。如果多个通道相隔很近（如50GHz），好的光抑制比的重要性就更加显而易见。

图3 光抑制比

从图4中较上面的DWDM信号轮廓的大部分光谱细节被掩盖的事实，可以更清楚地看出光抑制比的限制。光谱分析仪的使用者最关心的是得到真实光谱轮廓的清晰图象，如果光谱分析仪的ORR小于待测系统的光信噪比（OSNR），用户得到的是所用仪器的ORR受限曲线，而非真实的光信号行为。

图4 系统识别时ORR指标的影响

显然，信道数的增加和信道间间距的减小是更高的光抑制比（ORR）和功率测量指标改进的驱动力，但另一个重要因素是每个通道上的时分复用比特率。今天的DWDM系统设计所遵从的建议是基于STM-16/OC-48（2.5Gbps），但随着STM-64/OC-192（10Gbps）的逼近将会促进测量更高OSNR值的需求。一般情况下，这个速率的增加要求OSNR的测量能力提高4～5dB。

系统集成商和制造商有义务提供满足目前需要并为将来升级作好准备的系统。正是由于这个义务，他们采用了更为严格的动态范围和ORR标准，这些指标是DWDM系统在安装和试车时必须检测的。这样，他们就可以预测安装的性能。根据不同的情况，系统集成商一般需要检测的OSNR范围在21dB～35dB之间。顶级光谱分析仪可保证距离峰值0.4nm处的ORR值至少为50dBc。

2．宽功率动态范围

这项指标反映光谱分析仪中的光探测器有效测量WDM应用所要求的各种不同光功率电平的能力。具有宽动态范围的光谱分析仪，在同一的数据采集中，能准确地测出较高的功率值和较低的噪声基底，从而使绘制的谱线更加清晰。
由于DWDM点对点链路越来越长，在发射端必须使用更高的功率才能使光信号传送到更远的距离。另一方面，由于长距离的损耗累加，光信号在接近链路终点时已很微弱。这种情况下，既需要测量高功率值，又需要测量低功率值，它取决于DWDM系统的检测点。在进行单个系统组件故障排查时也需要检测小功率信号，因为在这种检测中，测试点只能提取总功率的一小部分。

光谱分析仪测量耦合器、滤波器及复用／解复用器路径等的插入损耗的能力，要求它有测量低功率的灵敏度。具有宽动态范围的光谱分析仪可以增加其应用的广泛性，因为它既可以用于系统级测试，也可以用于元件级测试。随着WDM技术的应用拓展于城域网，以及光网络的出现，使现场安装的光学器件的数量激增，导致在工厂和实验室之外进行详细的元件级测试需求增加。

3．宽波长范围

光谱分析仪波长范围是指其分析光谱中某一定义部分的信号的能力，以纳米为单位（如400nm），用起始波长和终止波长来表示（如1250nm～1650nm）。

早期的现场用光谱分析仪专注于C带，即1530nm～1565nm波段，符合ITU-T G.692建议。许多已敷设的WDM系统都是设计在C带传送多个通道信号的，因为它正是掺铒光纤放大器（EDFA）的有效工作波长范围。由于C带对于支持高通道数的系统已显得过窄，所以使用高于1565nm波长的L带，使系统的载运通道数增加至160个以上；加之低于1490nm波长的S带，系统的载运通道数突破200个关口。现正在开启1310nm波段在低成本城域网中的WDM应用之门。图5示出了标准单模光纤光谱衰减区的各波长带。

图5 标准单模光纤中的光谱衰减概貌

（C带由ITU定义，而S带和L带的范围各厂家的定义不尽相同）

测试范围覆盖这三个波段的光谱分析仪将是一种具有前瞻性和多用途的仪器，因为它可以满足一个系统在未来各种可能演进情况下的测量。即使用户决定将他的WDM系统延伸至城域网，具有1250nm～1650nm波长范围的光谱分析仪也能胜任。此外，所有光监视通道也能用这种宽波长范围的光谱分析仪测试。最常用的光监视波长是1510nm，1625nm和1490nm。

4．小的分辨带宽

分辨带宽是表征光谱分析仪将两个波长间隔很近的光信号分开的能力。该指标归结于光谱分析仪的光学布局，主要由其内部光学滤波器的行为决定。滤波器的通带越窄，分辨率越高。先进的光谱分析仪采用双通结构，加上高质量的衍射光栅，以取得好的分辨率带宽。

小至0.05nm的分辨带宽不仅可以保证好的光抑制比，而且可以提升测量近距离通道之间OSNR的性能。这种光谱分析仪能分析通道间距为50GHz（0.4nm）或更小的DWDM系统。理想的光学滤波器图形几乎是方形的。在测量分布反馈激光器（DFB）的边模抑制比或近距离大功率通道间OSNR数值时，这种滤波器图形是至关重要的。滤波器图形越方，滤波器的性能越好。

5．野外便携式和坚固性

带宽需求的快速增长使WDM技术很快走出实验室。随之而来的是对适宜于户外环境测试的高性能仪器的需求。光谱分析仪作为DWDM网络敷设和维护工作最基本的测试仪器，被应用于各种场合—网络的不同节点及与实验室环境相去甚远的极端环境。

大多数高性能光谱分析仪都是为科学研究设计的台式仪器，是用于可控环境并由有经验的人使用的精密仪器。另一方面，大多数野外便携式光谱分析仪都是削减了某些光学性能，以提供实用的测试方案。

众多的光学元件和微米量级的精密机械是光谱分析仪的核心，这些元件之间装配的任何偏离都将会直接导致仪器光学指标的下降。便携式光谱分析仪提供电池供电，以适用于不同条件下的快速、便捷测试。另外，野外测试仪器还需要通过BellCore（TelCordia）跌落实验，而不降低它的指标。

6．增值特性

随着DWDM测试测量技术的演进，更富有进取心的制造商已经在其便携式、高性能的光谱分析仪中加入了更新的特性。这些恰如其分的特性将对产能、测试速度、数据管理和用途多样化产生直接的影响。

7．模块化

DWDM系统试车和故障定位仅靠光谱分析仪还不够，还必须测试光纤的总跨度损耗、回波损耗（ORL）和偏振模色散等。在要求更高的波长准确度测量时，还需要将多波长计与光谱分析仪配合使用。因此，理想情况下，光谱分析仪应该成为由一个通用测试平台管理的系列化模块的一个组成部分。

8．现场测试软件

传统光谱分析仪继承了实验室环境下的复杂软件。而现场测试用光谱分析仪提供了一个更加简洁的用户界面，包括自动测试和简化的步骤化测试。这使所有操作者，不论是新手还是DWDM专家，都能得到想要的信息。

四．结论

数字网络正向光纤网络演变，DWDM系统方兴未艾，对功能强大的便携式光谱分析仪的需求十分迫切。光谱分析仪成为光网络设备生产和试车时的重要仪器。

用户只有充分理解光谱分析仪的优点和局限性，才能在选择仪器时做出有理有据的判断；而仪器制造商，也只有了解了DWDM技术发展趋势和用户的实际要求，才能生产出适合现场测试、具有前瞻性和模块化的光谱分析仪。新一代的光谱分析仪能在提供当前和近来系统测试的顶级测试能力的同时，提高用户的生产效率和保护用户的投资。

（中国电子科技集团公司第四十一研究所 张家奎）