摘要：本文通過分析光放大器噪聲的成分，指出了波分系統中在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系統傳輸性能時所造成的影響，并設計了相關的代價測試實驗系統。通過對實驗數據的分析，指出了進行與系統OSNR代價相關的性能測試時如何獲得真實系統參數的辦法。

　　中圖分類號：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

　　早期作為評估光傳輸系統線路參數對接收性能影響的技術指標，主要是評估光反射、碼間干擾、模分配噪聲和激光器啁啾等因素的劣化帶來的接收靈敏度下降。隨著光放大技術以及高速光通信系統的應用，光放大噪聲對接收靈敏度也造成了一定的影響，同時也解決了線路衰減對傳輸距離的限制，使得接收光信噪比成為了限制波分復用系統光傳輸距離的一個重要限制。因而非線性、色度色散、偏振模色散、偏振相關損耗、光通道反射以及串擾等因素所造成的系統接收光信噪比容限[1]的下降就成為評估波分光傳輸系統性能的一個十分重要的因素。與此相關，系統色散容限、偏振模色散容限也是以一定接收光信噪比代價為基準的系統對相關技術參數容忍能力的評估。所以正確理解和評估光放大噪聲對系統相關參數的影響是了解系統性能的基本要求。

　　目前評估光放大噪聲對系統的影響一般是采用在系統線路中加入ASE噪聲的辦法并測試接收端的OSNR來模擬光放大噪聲[2]。由于這種辦法具有加入噪聲方法簡單，穩定，調整方便等優點，所以在工程與設備測試中被大量采用，但這種模擬的仿真程度卻長期以來少有關注。但這種方法能否獲得正確的代價參數則需要深入分析，而評估模擬噪聲的影響，對正確了解光傳輸系統的性能具有十分重要的意義。

　　二、光放大噪聲與分析

　　光通信系統的放大無論是EDFA還是Raman光放大其基本原理都是受激三能級量子躍遷。泵浦光將處于穩態下能級的量子激發到非穩態的高能級，處于高能級的量子自發躍遷到亞穩態的上能級，處于上能級的量子受輸入光子的激發想下能級躍遷，同時釋放出與輸入光子性質完全相同的光子，從而將輸入光信號放大。這種量子受輸入光子影響而輻射出與輸入光子性質完全相同光子的現象叫光受激輻射。只是處于上能級的量子并不是十分穩定，它除了會因受激輻射而產生光放大外，還會自發輻射光子而向下能級躍遷。這種自發輻射所產生的光信號與信號光完全不同，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的光就成為可以影響光信號接收的噪聲，即ASE噪聲。然而光放大噪聲并不僅只是ASE噪聲，光放大的增益實際上并不是恒定不變的，由于接收機光探測器的光電子散粒效應，經過放大的信號除了多出了ASE噪聲外，信號本身也會出現幅度波動，即還有信號與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；為自發輻射系數；為增益帶寬；；為初態光子數。

　　式中的第一項表示信號自發輻射的散粒噪聲，第二項表示放大的自發輻射的散粒噪聲，第三項表示信號同放大的自發輻射的差拍噪聲，第四項表示放大的自發輻射之間的差拍噪聲。

　　所以光纖放大器的輸出光場的信噪比為：

 　　(2)

　　其中B為接收機光探測器的帶寬。

　　由于系統中的光放大噪聲性能是以OSNR來表述的，而OSNR又是以信號光功率與0.1nm分辨率ASE噪聲功率的比來表征[4]，所以從OSNR的表示來看在信號上疊加ASE噪聲與疊加光放大噪聲區別不大，但是由于ASE噪聲只是光放大噪聲中的一種，而對光傳輸性能造成影響的是光放大噪聲的綜合效應，所以若以ASE噪聲替代光放大噪聲來進行系統性能測試就可能難以正確評估系統性能的影響。

　　三、功率代價實驗與數據分析

　　為測試ASE噪聲與光放大噪聲對傳輸系統的影響，我們分別對不同接收光信噪比下10G光傳輸系統的光放大噪聲和ASE對光通道功率代價的影響進行了實驗。實驗系統分別加入光放大噪聲[5] [6和僅只加入ASE噪聲進行配置[2]，如圖1和圖2所示。線路光傳輸信號為OTU2，并關閉FEC功能進行測試。

圖1　光放大噪聲的通道代價測試系統                             圖2、ASE噪聲的通道代價測試系統  

　　圖1所示系統的接收噪聲與公式(1)的表示相同，而圖2所示系統的接收噪聲則因并未對信號自發輻射的散粒噪聲進行放大，且沒有信號與放大自發輻射的差拍噪聲，所以其表示應為如下式所示：

　(3)

　　其中K為信號耦合率。

　　測試不同OSNR下接收光功率的誤碼率，分析出光接收靈敏度，并與不加噪聲時所測的接收靈敏度比較，以圖3的光通道代價曲線表示。由此可見在OSNR大于26dB時，ASE噪聲對光通道功率代價就基本沒什么影響了，光放大噪聲對光通道功率代價的影響則比ASE噪聲對光通道功率代價的影響普遍大0.3dB左右。

圖3　測試結果

　　四、討論

　　對于波分系統的光通道功率代價，由于其限定值僅為2dB，且ITU-T在05年發布的G.692修訂[7]中明確將光放大噪聲對系統接收能力的影響歸屬于接收靈敏度范疇，所以在進行功率代價的測試時，就應在收發機背對背的接收靈敏度測試中將噪聲的影響加入進去，且不能只加入ASE噪聲，而應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的光通路功率代價性能。

　　同樣，在光信噪比代價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試中，對OSNR的控制與加入也不能如圖2一樣進行ASE噪聲并入，而應該將串接入光放大器的光信號強度進行調整，進而影響接收OSNR。但這里需要注意的是在調節OSNR時，不能因接收光功率的調整而影響線路的非線性特性，以免引入新的誤差，且應注意到接收光功率越大，則引入的OSNR測試誤差越小。

　　由圖3可見，隨著OSNR的降低，OSNR所帶來的光功率代價迅速增加，所以為提高OSNR代價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的測試精度，在選取接收機輸入光功率時，應取較高的功率值，這樣可以減少因輸入光功率的變化而引起的OSNR測試值的誤差。

　　當然，若要獲得更為精確的OSNR代價數據以準確評價與之相關的系統性能，還應研究OSNR與過載光功率的關系，從而獲得可以嚴格評估OSNR代價、色度色散容限和偏振模色散容限的系統測試接收光功率點。

　　參考文獻：

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

　　[2] YD/T XXXX-2010 N×40Gbit/s光波分復用（WDM）系統測試方法 報批稿

　　[3] 楊寶、明海等. 光纖放大器的放大及噪聲特性的量子分析. 量子電子學報 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. 波分復用系統實際富余度及光通道代價的測試及討論 廣東通信技術 1999. Vol.19(No.6) 41-43

　　[6] YD/T 1159-2001 光波分復用（WDM）系統測試方法

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