相干 (Coherent) 光傳輸正在革新光纖網路的設計和建構方式，透過先進的DSP引擎實現了現今的網路頻寬需求，日益增長的部署頻寬是透過兩個因素實現：每個通道的純波特率 (baud rate) / 資料速率增加，以及適應許多不同且不斷變化的網路拓撲的靈活性，為了實現當今網路所需的靈活性，這些DSP不僅可以即時適應各種網路損耗（例如：損耗、雜訊、距離、色散），而且可以報告它們正在補償的值，這大大簡化了網路規劃和監控的過程。
在光纖連接的設計和製造過程中，需要對各種物理層參數進行性能驗證，這些測試是透過一類稱為可程式化訊號調節元件的測試儀器來實現的，這些儀器可以單獨或成組地模擬光纖連接的物理參數，以穩定、可重複和適應性的方式進行模擬，這些測試儀器能夠確保光纖連接在不同條件下的性能穩定且可靠，並且能夠在廣泛的應用場景中進行可靠的測試和驗證。
隨著OIF和IEEE等組織公布相關的公共標準（例如 "Implementation Agreement 400ZR (OIF-400ZR-01.0)"，網址：www.oiforum.com），相干光學介面正準備進入下一波成長階段，並將持續向CFP2和QSFP-DD等可插拔規格發展，互操作性將成為一個期望，這進一步提升了在製造過程中進行的光學測試的重要性。
作為接續內容，本文件將探討光學測試需求中的特定關鍵要素，特別著重於物理層模擬；在最近的OIF 400ZR文件（OIF-400ZR-01.0）中，這些測試需求在第13條中詳細說明，各子條款定義了連結規範範圍，以及所需的合規性測試的詳細訊息，VIAVI Solutions MAP-300 正是實施這些測試的理想工具。
相干模組測試：訊號調節、控制和產生損傷
使用環回測試評估多路徑干擾（MPI）容忍度
光訊號調節元件是一類獨特的測試儀器，它們本身不進行量測，而是在受控且可重複的情況下，修改或干擾測試訊號，這使得其他儀器可以量測待測物或單元的響應，例如，在相干接收器的情況下，位元錯誤率測試（例如：由 VIAVI ONT-800 執行的測試）通常是用來了解受損的光訊號是否影響了待測單元 (UUT)，下圖顯示了一個簡化的範例（圖2）。
表 1 描述了需要進行模擬的重要光學網路損傷；一般而言，這些損傷可分為兩種類型：第一種類型是透過單一校準模組、或儀器來實現損傷功能；第二種類型是透過多個模組結合測試任務來實現；這些複雜的模擬損傷通常需要一定量的系統偏移、校準、或來自其他光學測試設備（如：光譜分析儀或光功率計）的反饋。
為了建立一個全面的測試套件，這些模組可以進一步整合到像MAP-300這樣的模組化平台中，一個相干模組測試序列可能涉及數百個測試案例，涵蓋多個波長、OSNR（光訊噪比）、接收功率和跨越距離，所產生的光學損傷級別的錯誤，會直接對UUT（待測單元）內的DSP（數位訊號處理）的訓練假設、監測精確性、以及報警功能產生影響，因此，精心選擇訊號調節儀器至關重要；表2為減少不確定性和成本的關鍵參數。
大多數迴路測試都是在相對測試模式下進行的，使用關鍵系統參數來評估由次要參數引起的 "懲罰"，例如：如果正在評估一個模組的多路徑干擾（MPI）容忍度，則會產生全範圍光訊噪比（OSNR）的同時調整次要參數（在這個案例中為MPI）達到目標範圍，如表1所述；MPI是一個複雜的損傷，它可以透過使用一段光纖分隔的兩個可變的反射模擬器來生成，可以為給定的MPI產生一個位元錯誤率（BER）輪廓線，可以推斷出在相同的MPI級別下實現相同的BER所需的OSNR之間的差異，這種差異通常被描述為克服損傷所需返還的OSNR，換句話說，就是懲罰。
在放大系統中，光訊噪比（OSNR）是一個關鍵的系統參數，在許多測試過程中作為主要指標，接下來的部分將回顧關鍵的測試細節。
光訊噪比模擬與相干模組測試
光訊噪比（OSNR）是相干介面性能的基本衡量指標，它意味著在電訊號產生之前的訊號總傳輸距離，它是評估其他損傷的影響（如色散、DGD、PDL等）的值；OSNR的測量已經標準化，可以在IEC 61280-2-9中找到。OSNR可以使用以下公式計算：
其中，S被定義為總訊號功率，N則是0.1nm頻寬內的雜訊功率，IEC 61280-2-9標準指導如何進行雜訊測量的內插方法 (interpolation method)。
由於相干介面需要在多種條件下運行（放大的段數、不同的光纖長度），測試工程師需要產生校準的OSNR數值，在製造測試系統中產生、控制、和快速變化OSNR準位是對每個待測單元（UUT）進行多次操作的工作。圖4顯示了兩種使用VIAVI MAP LightDirect模塊的簡單、有效且可校準的實現方式。VOA的位置可能會根據所需的確切OSNR準位而變化。
BBS提供的自發地放射光 (Spontaneous Emission) 可以被塑造和平坦化，並且被設計成與放大的光纖線系統中的雜訊光學特性匹配，它將被去偏振，並且在通道頻寬上應該具有平坦的光譜，應避免光譜紋波，因為這可能在內插雜訊值時產生誤差，使用圖4中的方塊圖，可以建立一個精確校準的OSNR生成系統。
在考慮初始測試系統設計時，需要注意幾個方面，當所需的光訊噪比（OSNR）接近未放大的發送端（TX）的初始準位時，OSNR的變化將作為衰減的函數變得非線性；如果您需要在此區域內存取數值，則需要在每次測試之前使用光譜分析儀（OSA）進行測量；然而，如果所需的OSNR仍然遠離該區域（通常> 10dB），則OSNR將直接與BBS VOA的值成正比，大大減少了OSA測量的需求；如果您將這個VOA調整1dB，那麼OSNR也會相應地變化1dB，減少OSA的使用可以降低測試週期和成本。
在開發OSNR測試範圍和可達到的載波功率時，初始測試系統設計必須考慮以下事項，如表3所示。
在具備產生OSNR產生和獨立控制接收器功率的基本能力的基礎上，以下章節將詳細介紹相干模組測試中兩個最常見的額外要素的需求和影響。
相干模組測試中的頻譜管理與OSNR控制
對於設計用於放大鏈路中的相干模組測試系統，可調節濾波器（Tunable Filter，簡稱 TBF）在其中發揮著關鍵作用，在這種情況下，接收器之前的最後一個元件必須是可調節濾波器，這些設備模擬了網路中的DWDM濾波器，確保只有帶內 (in-band) 的OSNR到達接收器，引入濾波器後，將引入額外的迴圈插入損耗；根據整體損耗預算，可能需要額外的放大，應選擇雜訊較低的放大器，額外添加的放大器雜訊將降低可達到的最大OSNR。
由於當今光纖網路中的波長靈活性，對儀器中可調節濾波器的要求變得越來越具有挑戰性，它必須模擬許多不同的網路環境，包括：DWDM濾波器形狀、ROADM節點通過情況、以及通道錯位效應，這些因素影響濾波器形狀、頻寬、和損耗；考慮到嚴格的容差和有限的保護頻段，濾波器的微小變化可能會影響通過的光譜內容，主要特性請參見表4。
可調濾波器技術的進步，使得新功能可以極大地簡化測試系統的整合，VIAVI mTFX可調濾波器是一個功能強大的混合設備，整合了光開關、衰減和功率計功能。
在提高光譜效率的驅動下，DWDM濾波通道內幾乎沒有空間單獨測量雜訊，調變的載波完全填充了通道，並從光譜分析儀中掩蓋了雜訊準位，這裡出現了幾個挑戰，但基本上都歸結為尋找和測量雜訊準位的問題。
在全DWDM系統中， VIAVI開創了非侵入式的光譜相關法（SCorM）- 一種使用光譜相關分析和超高精度相干光譜分析儀的創新測量方法，這種方法不需要對訊號進行干預或操控，因此非常適合用於實時流量的網路測試；對於製造應用，可以利用可調式頻寬功能暫時改變濾波器，在這種情況下，可以簡單地遠離載波以找到雜訊準位（在較寬的通道中），這使得傳統的OSNR測量成為可能，一旦完成OSNR驗證，濾波器可以恢復到指定的形狀，繼續進行符合性測試。
擁有可以設定OSNR並管理光譜的功能後，核心迴路測試系統已經建立完成。
相干光纖通訊中的偏振擾動與驗證測試
作為將資料傳輸速率提升兩倍的方法，相干發射機使用同一波長並具有正交偏振態的兩個訊號進行多工，在接收器使用數位補償演算法之前，必須將這些訊號進行解復用；然而，由於單模光纖中存在微小的殘留雙折射，偏振態將不斷變化；光纖中的雙折射將會變化，且確實會發生變化，隨著它的變化，接收器處的偏振態（SOP）也會跟著改變，相干接收器必須能夠即時處理這種情況。
擾偏加擾是一個獨特的損傷過程，與大多數其他工具不同的是，該工具必須模擬一個時間相關的過程和其統計特性，了解驅動儀器嘗試模擬行為的物理過程至關重要；雙折射可以以多種方式變化，根據其變化的速率分為幾個類別，其中有緩慢的變化，例如：溫度變化會導致光纖的膨脹和收縮，這些變化需要秒或分鐘的時間；也有較快的變化，例如：由於輕微的振動引起的變化，這些振動會導致光纖上的應力和應變發生變化，例如：風吹拂時的空中光纖電纜或車輛通過時的振動，這些變化的頻率可達Hz或KHz；最後，還有罕見但非常快速的變化，例如：由於非線性電光事件引起的變化，如閃電擊中光纖，這些干擾事件可能在MHz的範圍內極快地發生。
儘管SOP的變化通常以單純的速率（krad/s或Mrad/s）來描述，但這並未完全描述整個情況，因為光纖中這些微小的物理變化在數百甚至數千公里的範圍內累積；以統計方式思考訊號SOP的演變更有幫助，這種複雜性可以用兩種方式之一來描述：純隨機分佈，其中瞬時SOP可以等概率地轉變為任何其他SOP；或者使用瑞利概率密度函數來描述分佈，對於瑞利分佈，較小的SOP變化有較高的概率，而較大的狀態變化則偶爾出現；在這兩種情況下，如果觀察者等待足夠長的時間，所有狀態最終都會出現，能夠讓設計師在這兩種情況下驗證性能的測試系統至關重要。
無論選擇哪種統計方法，DSP（數位訊號處理）模組必須應對動態環境；首先，要對這些快速變化的偏振訊號進行解多路復用，然後對多種類型的色散進行補償。
除了純粹的擾偏外，還可以進行特定的應力測試，例如：可以將偏振狀態操控為“激進 (aggressive)”狀態，這可能意味著高光功率送入一組光電探測器，而另一組光電探測器上的光功率非常低，這將測試模組的動態範圍，包括：光子學、自動增益控制（AGC）和數位訊號處理（DSP）控制回路。
MAP系統可以被設定為快速在 "壓力狀態" 之間切換，並在不同統計分佈下驗證相干模組的穩定性，儀器中的偏振控制器必須能夠簡單而快速地在這些模式之間切換；最後一個使用案例涉及引入對SOP向量對齊具有偏振敏感性的系統損傷，這些損傷的例子包括DGD和PDL，在幾乎所有情況下，偏振擾偏器將與這些元件結合使用，以確保其存在的影響也是在由時間的變化和偏振控制器控制的統計權重下發生的。
憑藉對OSNR的控制、頻譜塑形、和統計性地變化偏振狀態的能力，測試工程師已擁有執行OIF和IEEE標準所定義的驗證測試所需的核心元件，還有其他涉及CD、DGD和PDL模擬的測試案例，但這些都將使用這三個關鍵組件，最後一個考慮的因素是將這些類型的測試系統準備好部署到製造中。
從驗證到製造：光學切換的關鍵角色
隨著設計從驗證階段轉入全面生產階段，許多相同的測試將仍然需要進行，測試點的數量將減少，並優化測試覆蓋範圍以節省時間，許多（即使不是全部）擾偏模擬模組仍然是必需的，一個新的關鍵元件是在光學開關之前的光學切換器，以實現多個待測單元的測試。
圖14中的範例顯示光學切換器用於控制多個待測單元（UUT）通過測試系統的順序，在測試一個UUT時，其他單元可以等待準備進行測試（例如：進行溫度穩定）或從測試夾具中裝載和卸載；圖15顯示了可能的測試順序，並比較了具有和不具有光學切換器的系統的循環時間，根據測試時間假設，該範例顯示循環時間減少了21.3%。
在這個例子中使用的切換器具有幾個關鍵特性，使其非常適合這個應用；它本身是一個雙工切換器，只需一個切換器即可同時移動TX和RX埠，這個切換器易於自動化，並且只佔用MAP-300中的一個額外槽位，它的插入損耗也非常低（<0.8 dB），在這個應用中，低插入損耗確保環回插入損耗不會大幅增加，因此RX功率範圍受到的影響最小；如果在測試系統的初始設計中注意到了對光學切換器的長期需求，額外的光功率可能已經在設計時考慮進去了。
能夠無縫地將測試系統移轉進入製造階段，而無需進行完整的重新設計，將大大縮短開發時間並降低工程成本。
MAP-300：全球光學製造商信賴的第三代光學測試平台
近期OIF 400ZR規範的第13章節包含了21個子條款，定義了在指定的物理層上，保證不同供應商之間互操作性並產生無誤差的流量所需的光學測試要求，MAP-300 及其 LightDirect 模組家族（表1）可在單一、緊湊、符合標準且易於自動化的平台上執行這些測試；在大多數情況下，MAP的部署比競爭方案中的混合系統解決方案節省35%至40%的空間；憑藉30年的光纖測試設計傳統和內部設計的光學元件（針對測試和測量應用進行了優化），VIAVI MAP LightDirect 模組家族是相干模組測試的重要支援者。
作為全球最大的光學開關產品組合，MAP 實現了研發到製造無縫地移轉，由於本身已經具有符合製造要求的功能和特性，可以直接應用於製造環境中，MAP-300節省了重新開發測試站所需的時間和資源。
作者：Matthew Adams, Sr. Product Manager, VIAVI Solutions
本文由VIAVI Solutions的資深產品經理Matthew Adams所撰寫，並取得了VIAVI Solutions的Maryam Alshehab和Paul Avison的相關貢獻。
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