波分復(fù)用系統(tǒng)的光信噪比與代價(jià)測(cè)試方法探討[圖]

摘要：本文通過(guò)分析光放大器噪聲的成分，指出了波分系統(tǒng)中在OSNR表象一致的情況下光放大噪聲與ASE噪聲的差異，以及這種差異在檢測(cè)系統(tǒng)傳輸性能時(shí)所造成的影響，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的代價(jià)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，指出了進(jìn)行與系統(tǒng)OSNR代價(jià)相關(guān)的性能測(cè)試時(shí)如何獲得真實(shí)系統(tǒng)參數(shù)的辦法。

中圖分類(lèi)號(hào)：TN98

The OSNR and Penalty for DWDM

Lei Fei, Tan Benming

(FiberHome Telecommunication Technologies Co., Ltd. Hubei Wuhan 430074)

Abstract: Instead of optical amplifier noise, somebody test the performance relating with penalty of optical communication system always add noise use ASE. This paper analyzed the composing of optical amplifier noise, then show the difference between the optical amplifier noise and ASE noise while same OSNR on WDM system and the effect of the difference when to measure some parameter of transmission system. The experimentation system for test penalty was designed and been measured, the difference of test result is 0.3dB for them. Through analyze for the test result, this paper point out the way which how to get the true system parameter when to test some performance relate to OSNR penalty.

Key words: noise of optical amplifier, ASE, OSNR, penalty, tolerance

一、概述

早期作為評(píng)估光傳輸系統(tǒng)線路參數(shù)對(duì)接收性能影響的技術(shù)指標(biāo)，主要是評(píng)估光反射、碼間干擾、模分配噪聲和激光器啁啾等因素的劣化帶來(lái)的接收靈敏度下降。隨著光放大技術(shù)以及高速光通信系統(tǒng)的應(yīng)用，光放大噪聲對(duì)接收靈敏度也造成了一定的影響，同時(shí)也解決了線路衰減對(duì)傳輸距離的限制，使得接收光信噪比成為了限制波分復(fù)用系統(tǒng)光傳輸距離的一個(gè)重要限制。因而非線性、色度色散、偏振模色散、偏振相關(guān)損耗、光通道反射以及串?dāng)_等因素所造成的系統(tǒng)接收光信噪比容限[1]的下降就成為評(píng)估波分光傳輸系統(tǒng)性能的一個(gè)十分重要的因素。與此相關(guān)，系統(tǒng)色散容限、偏振模色散容限也是以一定接收光信噪比代價(jià)為基準(zhǔn)的系統(tǒng)對(duì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)容忍能力的評(píng)估。所以正確理解和評(píng)估光放大噪聲對(duì)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的影響是了解系統(tǒng)性能的基本要求。

目前評(píng)估光放大噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響一般是采用在系統(tǒng)線路中加入ASE噪聲的辦法并測(cè)試接收端的OSNR來(lái)模擬光放大噪聲[2]。由于這種辦法具有加入噪聲方法簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，所以在工程與設(shè)備測(cè)試中被大量采用，但這種模擬的仿真程度卻長(zhǎng)期以來(lái)少有關(guān)注。但這種方法能否獲得正確的代價(jià)參數(shù)則需要深入分析，而評(píng)估模擬噪聲的影響，對(duì)正確了解光傳輸系統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。

二、光放大噪聲與分析

光通信系統(tǒng)的放大無(wú)論是EDFA還是Raman光放大其基本原理都是受激三能級(jí)量子躍遷。泵浦光將處于穩(wěn)態(tài)下能級(jí)的量子激發(fā)到非穩(wěn)態(tài)的高能級(jí)，處于高能級(jí)的量子自發(fā)躍遷到亞穩(wěn)態(tài)的上能級(jí)，處于上能級(jí)的量子受輸入光子的激發(fā)想下能級(jí)躍遷，同時(shí)釋放出與輸入光子性質(zhì)完全相同的光子，從而將輸入光信號(hào)放大。這種量子受輸入光子影響而輻射出與輸入光子性質(zhì)完全相同光子的現(xiàn)象叫光受激輻射。只是處于上能級(jí)的量子并不是十分穩(wěn)定，它除了會(huì)因受激輻射而產(chǎn)生光放大外，還會(huì)自發(fā)輻射光子而向下能級(jí)躍遷。這種自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光信號(hào)與信號(hào)光完全不同，它是一種譜寬較寬且全方向輻射的自然光，這其中輻射方向與光傳輸方向相同，并能約束在光纖中傳輸?shù)墓饩统蔀榭梢杂绊懝庑盘?hào)接收的噪聲，即ASE噪聲。然而光放大噪聲并不僅只是ASE噪聲，光放大的增益實(shí)際上并不是恒定不變的，由于接收機(jī)光探測(cè)器的光電子散粒效應(yīng)，經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)除了多出了ASE噪聲外，信號(hào)本身也會(huì)出現(xiàn)幅度波動(dòng)，即還有信號(hào)與ASE的差拍噪聲以及ASE差拍噪聲[3]：

(1)

其中G為光放大器增益；為自發(fā)輻射系數(shù)；為增益帶寬；；為初態(tài)光子數(shù)。

式中的第一項(xiàng)表示信號(hào)自發(fā)輻射的散粒噪聲，第二項(xiàng)表示放大的自發(fā)輻射的散粒噪聲，第三項(xiàng)表示信號(hào)同放大的自發(fā)輻射的差拍噪聲，第四項(xiàng)表示放大的自發(fā)輻射之間的差拍噪聲。

所以光纖放大器的輸出光場(chǎng)的信噪比為：

 (2)

其中B為接收機(jī)光探測(cè)器的帶寬。

由于系統(tǒng)中的光放大噪聲性能是以O(shè)SNR來(lái)表述的，而OSNR又是以信號(hào)光功率與0.1nm分辨率ASE噪聲功率的比來(lái)表征[4]，所以從OSNR的表示來(lái)看在信號(hào)上疊加ASE噪聲與疊加光放大噪聲區(qū)別不大，但是由于ASE噪聲只是光放大噪聲中的一種，而對(duì)光傳輸性能造成影響的是光放大噪聲的綜合效應(yīng)，所以若以ASE噪聲替代光放大噪聲來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試就可能難以正確評(píng)估系統(tǒng)性能的影響。

三、功率代價(jià)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為測(cè)試ASE噪聲與光放大噪聲對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響，我們分別對(duì)不同接收光信噪比下10G光傳輸系統(tǒng)的光放大噪聲和ASE對(duì)光通道功率代價(jià)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別加入光放大噪聲[5] [6和僅只加入ASE噪聲進(jìn)行配置[2]，如圖1和圖2所示。線路光傳輸信號(hào)為OTU2，并關(guān)閉FEC功能進(jìn)行測(cè)試。

圖1、光放大噪聲的通道代價(jià)測(cè)試系統(tǒng)                             圖2、ASE噪聲的通道代價(jià)測(cè)試系統(tǒng)   

圖1所示系統(tǒng)的接收噪聲與公式(1)的表示相同，而圖2所示系統(tǒng)的接收噪聲則因并未對(duì)信號(hào)自發(fā)輻射的散粒噪聲進(jìn)行放大，且沒(méi)有信號(hào)與放大自發(fā)輻射的差拍噪聲，所以其表示應(yīng)為如下式所示：

(3)

其中K為信號(hào)耦合率。

測(cè)試不同OSNR下接收光功率的誤碼率，分析出光接收靈敏度，并與不加噪聲時(shí)所測(cè)的接收靈敏度比較，以圖3的光通道代價(jià)曲線表示。由此可見(jiàn)在OSNR大于26dB時(shí)，ASE噪聲對(duì)光通道功率代價(jià)就基本沒(méi)什么影響了，光放大噪聲對(duì)光通道功率代價(jià)的影響則比ASE噪聲對(duì)光通道功率代價(jià)的影響普遍大0.3dB左右。

圖3、測(cè)試結(jié)果

四、討論

對(duì)于波分系統(tǒng)的光通道功率代價(jià)，由于其限定值僅為2dB，且ITU-T在05年發(fā)布的G.692修訂[7]中明確將光放大噪聲對(duì)系統(tǒng)接收能力的影響歸屬于接收靈敏度范疇，所以在進(jìn)行功率代價(jià)的測(cè)試時(shí)，就應(yīng)在收發(fā)機(jī)背對(duì)背的接收靈敏度測(cè)試中將噪聲的影響加入進(jìn)去，且不能只加入ASE噪聲，而應(yīng)在線路中串入光放大器，即加入光放大噪聲，只有這樣才能獲得真實(shí)的光通路功率代價(jià)性能。

同樣，在光信噪比代價(jià)以及接收光信噪比容限、色度色散容限和偏振模色散容限的測(cè)試中，對(duì)OSNR的控制與加入也不能如圖2一樣進(jìn)行ASE噪聲并入，而應(yīng)該將串接入光放大器的光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而影響接收OSNR。但這里需要注意的是在調(diào)節(jié)OSNR時(shí)，不能因接收光功率的調(diào)整而影響線路的非線性特性，以免引入新的誤差，且應(yīng)注意到接收光功率越大，則引入的OSNR測(cè)試誤差越小。

由圖3可見(jiàn)，隨著OSNR的降低，OSNR所帶來(lái)的光功率代價(jià)迅速增加，所以為提高OSNR代價(jià)以及接收光信噪比容限、色度色散容限、偏振模色散容限等參數(shù)的測(cè)試精度，在選取接收機(jī)輸入光功率時(shí)，應(yīng)取較高的功率值，這樣可以減少因輸入光功率的變化而引起的OSNR測(cè)試值的誤差。

當(dāng)然，若要獲得更為精確的OSNR代價(jià)數(shù)據(jù)以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與之相關(guān)的系統(tǒng)性能，還應(yīng)研究OSNR與過(guò)載光功率的關(guān)系，從而獲得可以嚴(yán)格評(píng)估OSNR代價(jià)、色度色散容限和偏振模色散容限的系統(tǒng)測(cè)試接收光功率點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] ITU-T Recommendation G.698.2 Amplified multichannel DWDM applications with single channel optical interfaces

[6] YD/T XXXX-2010 N×40Gbit/s光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)測(cè)試方法 報(bào)批稿

[3] 楊寶、明海等. 光纖放大器的放大及噪聲特性的量子分析. 量子電子學(xué)報(bào) 1999. Vol.16(No.2). 180-185

[4] ITU-T G-series Recommendations – Supplement 39. Optical system design and engineering considerations

[5] 宋鈺、林立. 波分復(fù)用系統(tǒng)實(shí)際富余度及光通道代價(jià)的測(cè)試及討論 廣東通信技術(shù) 1999. Vol.19(No.6) 41-43

[6] YD/T 1159-2001 光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)測(cè)試方法

[7] ITU-T Recommendation G.692(1998) - Amendment 1. Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers