波分复用系统的光信噪比与代价测试方法探讨

摘要：本文通过分析光放大器噪声的成分，指出了波分系统中在OSNR表象一致的情况下光放大噪声与ASE噪声的差异，以及这种差异在检测系统传输性能时所造成的影响，并设计了相关的代价测试实验系统。通过对实验数据的分析，指出了进行与系统OSNR代价相关的性能测试时如何获得真实系统参数的办法。

中图分类号：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

早期作为评估光传输系统线路参数对接收性能影响的技术指标，主要是评估光反射、码间干扰、模分配噪声和激光器啁啾等因素的劣化带来的接收灵敏度下降。随着光放大技术以及高速光通信系统的应用，光放大噪声对接收灵敏度也造成了一定的影响，同时也解决了线路衰减对传输距离的限制，使得接收光信噪比成为了限制波分复用系统光传输距离的一个重要限制。因而非线性、色度色散、偏振模色散、偏振相关损耗、光通道反射以及串扰等因素所造成的系统接收光信噪比容限[1]的下降就成为评估波分光传输系统性能的一个十分重要的因素。与此相关，系统色散容限、偏振模色散容限也是以一定接收光信噪比代价为基准的系统对相关技术参数容忍能力的评估。所以正确理解和评估光放大噪声对系统相关参数的影响是了解系统性能的基本要求。

目前评估光放大噪声对系统的影响一般是采用在系统线路中加入ASE噪声的办法并测试接收端的OSNR来模拟光放大噪声[2]。由于这种办法具有加入噪声方法简单，稳定，调整方便等优点，所以在工程与设备测试中被大量采用，但这种模拟的仿真程度却长期以来少有关注。但这种方法能否获得正确的代价参数则需要深入分析，而评估模拟噪声的影响，对正确了解光传输系统的性能具有十分重要的意义。

二、光放大噪声与分析

光通信系统的放大无论是EDFA还是Raman光放大其基本原理都是受激三能级量子跃迁。泵浦光将处于稳态下能级的量子激发到非稳态的高能级，处于高能级的量子自发跃迁到亚稳态的上能级，处于上能级的量子受输入光子的激发想下能级跃迁，同时释放出与输入光子性质完全相同的光子，从而将输入光信号放大。这种量子受输入光子影响而辐射出与输入光子性质完全相同光子的现象叫光受激辐射。只是处于上能级的量子并不是十分稳定，它除了会因受激辐射而产生光放大外，还会自发辐射光子而向下能级跃迁。这种自发辐射所产生的光信号与信号光完全不同，它是一种谱宽较宽且全方向辐射的自然光，这其中辐射方向与光传输方向相同，并能约束在光纤中传输的光就成为可以影响光信号接收的噪声，即ASE噪声。然而光放大噪声并不仅只是ASE噪声，光放大的增益实际上并不是恒定不变的，由于接收机光探测器的光电子散粒效应，经过放大的信号除了多出了ASE噪声外，信号本身也会出现幅度波动，即还有信号与ASE的差拍噪声以及ASE差拍噪声[3]：

(1)

其中G为光放大器增益；为自发辐射系数；为增益带宽；；为初态光子数。

式中的第一项表示信号自发辐射的散粒噪声，第二项表示放大的自发辐射的散粒噪声，第三项表示信号同放大的自发辐射的差拍噪声，第四项表示放大的自发辐射之间的差拍噪声。

所以光纤放大器的输出光场的信噪比为：

 (2)

其中B为接收机光探测器的带宽。

由于系统中的光放大噪声性能是以OSNR来表述的，而OSNR又是以信号光功率与0.1nm分辨率ASE噪声功率的比来表征[4]，所以从OSNR的表示来看在信号上叠加ASE噪声与叠加光放大噪声区别不大，但是由于ASE噪声只是光放大噪声中的一种，而对光传输性能造成影响的是光放大噪声的综合效应，所以若以ASE噪声替代光放大噪声来进行系统性能测试就可能难以正确评估系统性能的影响。

三、功率代价实验与数据分析

为测试ASE噪声与光放大噪声对传输系统的影响，我们分别对不同接收光信噪比下10G光传输系统的光放大噪声和ASE对光通道功率代价的影响进行了实验。实验系统分别加入光放大噪声[5] [6和仅只加入ASE噪声进行配置[2]，如图1和图2所示。线路光传输信号为OTU2，并关闭FEC功能进行测试。

图1、光放大噪声的通道代价测试系统                             图2、ASE噪声的通道代价测试系统   

图1所示系统的接收噪声与公式(1)的表示相同，而图2所示系统的接收噪声则因并未对信号自发辐射的散粒噪声进行放大，且没有信号与放大自发辐射的差拍噪声，所以其表示应为如下式所示：

(3)

其中K为信号耦合率。

测试不同OSNR下接收光功率的误码率，分析出光接收灵敏度，并与不加噪声时所测的接收灵敏度比较，以图3的光通道代价曲线表示。由此可见在OSNR大于26dB时，ASE噪声对光通道功率代价就基本没什么影响了，光放大噪声对光通道功率代价的影响则比ASE噪声对光通道功率代价的影响普遍大0.3dB左右。

图3、测试结果

四、讨论

对于波分系统的光通道功率代价，由于其限定值仅为2dB，且ITU-T在05年发布的G.692修订[7]中明确将光放大噪声对系统接收能力的影响归属于接收灵敏度范畴，所以在进行功率代价的测试时，就应在收发机背对背的接收灵敏度测试中将噪声的影响加入进去，且不能只加入ASE噪声，而应在线路中串入光放大器，即加入光放大噪声，只有这样才能获得真实的光通路功率代价性能。

同样，在光信噪比代价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测试中，对OSNR的控制与加入也不能如图2一样进行ASE噪声并入，而应该将串接入光放大器的光信号强度进行调整，进而影响接收OSNR。但这里需要注意的是在调节OSNR时，不能因接收光功率的调整而影响线路的非线性特性，以免引入新的误差，且应注意到接收光功率越大，则引入的OSNR测试误差越小。

由图3可见，随着OSNR的降低，OSNR所带来的光功率代价迅速增加，所以为提高OSNR代价以及接收光信噪比容限、色度色散容限、偏振模色散容限等参数的测试精度，在选取接收机输入光功率时，应取较高的功率值，这样可以减少因输入光功率的变化而引起的OSNR测试值的误差。

当然，若要获得更为精确的OSNR代价数据以准确评价与之相关的系统性能，还应研究OSNR与过载光功率的关系，从而获得可以严格评估OSNR代价、色度色散容限和偏振模色散容限的系统测试接收光功率点。

参考文献：

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

[6] YD/T XXXX-2010 N×40Gbit/s光波分复用（WDM）系统测试方法 报批稿

[3] 杨宝、明海等. 光纤放大器的放大及噪声特性的量子分析. 量子电子学报 1999. Vol.16(No.2). 180-185

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

[5] 宋钰、林立. 波分复用系统实际富余度及光通道代价的测试及讨论 广东通信技术 1999. Vol.19(No.6) 41-43

[6] YD/T 1159-2001 光波分复用（WDM）系统测试方法

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