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2023年11月7日

【技術文章】透過模擬線路終端對開放式海底纜線進行 OSNR 測試

利用新穎的測試儀器 - VIAVI Solutions (3) 的 MAP-300，以簡化在沒有海纜線路終端設備（SLTE）的情況下，對海底放大線路系統進行故障排除和特性評估，可能的量測包括基本系統連續性、光訊噪比（OSNR）、增益傾斜、和增益異常；這些系統可用於驗證多種情境下的性能，包括纜線維修、升級的預測測試，以及傳統暗光纖 (未被啟用或未使用的光纖通道) 的確認；首先快速執行 OSNR 測試，可以幫助識別許多、甚至大多數限制性問題，這種方法使用了在放大器和應用於水下光通訊設備（wet plant）裝配過程中，已被網路設備製造商廣泛應用和驗證(1,7)。 光放大海底纜線自 20 世紀 90 年代末開始投入服務 (2)，而在大部分的時間內，這些海底纜線都是作為完整的、一站式的系統解決方案（即全套系統）部署的；這些系統包括光放大的水下光通訊設備系統（wet plant）以及海底纜線終端設備（SLTE），這兩者被精確地設計成協同工作，並且一同進行安裝、調試和認證；隨著相干調變技術的進步，以及它在電子方面對於多種光纜問題進行電子補償的能力，採購第三方的海纜線路終端設備（SLTE）解決方案已變得非常普遍，同時能夠獨立評估水下光通訊設備（wet plant）的性能，而不受海纜線路終端設備（SLTE）的限制，是這一轉變的重要推動因素。 目前全球有超過 130 萬公里正在提供服務的海底纜線，總計超過500條（5），海底纜線因環境因素和人為活動導致的故障，可能會使纜線停用，重新啟動這些纜線需要快速、簡單、不干擾實際的資料通訊，且具有成本效益的測試方法（4）。


開放式海底纜線
開放式海底纜線

Figure 1: Global submarine routes with landing zones
Figure 1: Global submarine routes with landing zones

在 2019 年，業界領袖達成了一項協議，就特徵化 “開放式光放大線路系統”，或稱為 “開放纜線” 的必要參數達成一致共識；有關主要的量測建議可以在《海底開放纜線：指南和注意事項的實用觀點》（Subsea Open Cables: A Practical Perspective on the Guidelines and Gotchas）(2) 中找到，對於這些纜線的擁有者來說，非常希望能夠擁有一種緊湊、簡單和具成本效益的方法，來獨立量測和特徵化該線路系統，而不受 SLTE 的影響。 以下所描述的 MAP-300 測試系統專門用於進行 OSNR（光噪比）量測，更具體地說，它可以進行線性 OSNR 的測量，也稱為 OSNRASE，這個系統簡單、緊湊且易於部署。


量測基礎和 SLTE 模擬


OSNR 量測通常很好理解（1），並需要存取纜線的兩端，在沒有 SLTE 的情況下，需要一個 “儀器化” 的刺激訊號來模擬；在遠端，傳統的光譜分析儀（OSA）用於 OSNR 量測，如圖 2 所示，應謹慎注意確保總光功率處於 OSA 的可用範圍內，可以搭配光衰減器、或小百分比的分光耦合器來確保這一點；在這種配置下，設定非常類似於在部署之前用於量測光放大器和放大子系統的測試系統（7）。

圖2：SLTE 到水下光通訊設備的連接示意圖
圖2：SLTE 到水下光通訊設備的連接示意圖

要在沒有 SLTE 的情況下分析放大線路系統，需要一個量測刺激源來模擬其光學特性，這個刺激源應該具有適應幾種不同光學負載情境的靈活性，主要要求如表格 1 所述：

表格 1：SLTE 模擬器的關鍵元素
表格 1：SLTE 模擬器的關鍵元素

成功且具代表性的量測，需要適當地啟用遙測和線路管理系統，並且需要提供適當的光功率以傳送到第一個中繼器；規劃必須考慮光耦合接頭、纜線終端設備、和第一段光纖的光損耗；為了獲得最準確的結果，SLTE 模擬器應該產生最符合目標系統的光譜（2）。


量測實作


所描述的量測系統假定光纖的兩端都可以存取，以下是這種實作的範例，如圖 3 所示；SLTE 模擬器連接到一端，而 OSNR 光譜分析儀連接到遠端，如果兩個 MAP-300 系統配置相同，則可以分析一對光纖。

圖3：MAP-300 連接到水下光通訊設備的詳細圖解
圖3：MAP-300 連接到水下光通訊設備的詳細圖解

MAP-300 SLTE 模擬器的詳細資料在第 3 節中有描述，本節的其餘部分將用於討論主要的量測議題。


GOSNRvs. OSNR


廣義光訊號雜訊比（G-OSNR）已被提出並普遍接受為關鍵的纜線認證參數，G-OSNR 包括來自放大自發性輻射（ASE）的線性雜訊貢獻和非線性干擾（NLI）雜訊（2），G-OSNR 和 OSNR 之間的關係如下所示，請見方程式 1。

方程式1：G-OSNR 是由來自放大自發性輻射（ASE）的線性雜訊成分和通常與較高發射功率相關的非線性成分（NLI）組合而成。
方程式1：G-OSNR 是由來自放大自發性輻射（ASE）的線性雜訊成分和通常與較高發射功率相關的非線性成分（NLI）組合而成。

G-OSNR 的量測比 OSNR 複雜得多，因為它需要至少一個經過良好特徵化的相干調變解調器，並且需要在纜線的兩端之間進行更多的資料通訊，以確保精確的量測，關於 G-OSNR 量測的方法和挑戰有許多優秀的參考資料。


OSNR 為光學通訊中的主要量測參數


雖然 OSNRASE和 GOSNR 明顯相關，但在幾乎所有情況下，OSNRASE 仍然被單獨考慮，因為它直接影響許多系統設計參數；在大多數系統中，它仍然是 GOSNR 中佔主導地位的要素之一；由於傳統的 OSNR 量測相對簡單，因此它成為任何故障排除實際操作的第一步；此外，許多多光纖纜線 (multifiber cable) 設計都明確考慮到最小化非線性貢獻，尤其是在利用空間多工技術(SDM)的情況下。


OSNR-only 量測系統的優勢：


  • 快速、廣泛了解的量測

  • 量測 OSNRASE 部分無需使用主動通道

  • 不需要特定調變解調器特性的特徵化

  • 限制了端對端通訊的要求

透過模擬 DWDM 通道結構，還可以獲得其他有價值的量測：

  • 增益傾斜 (Gain Tilt)

  • 通道均衡化 (Channel Equalization)

SLTE 模擬器和 OSNR 量測細節

This section will detail the MAP-300 implementation of the SLTE emulator with OSNR measurement capability. 這一部分將詳細描述 MAP-300 SLTE 模擬器的實作，並介紹其 OSNR 量測功能。


功能性描述


所提出的系統利用 MAP-380 8 槽主機機架承載必要的模組，這個系統分為兩部分，包括模擬器和 OSNR 量測，圖 4 中顯示兩個部分可以放在同一個 MAP-380 主機機架中，接下來的章節將提供具體細節。

圖4：OSNR 和 SLTE 模擬器的 MAP-300 模組配置圖
圖4：OSNR 和 SLTE 模擬器的 MAP-300 模組配置圖

SLTE 模擬器子系統


模擬子系統採用儀器級寬頻平坦光源來為系統提供基礎種子訊號，如圖 5 和圖 6 所示，可編程梳狀濾波器用於設定系統的基本光學參數（通道號碼、載波寬度、載波間距），根據所需模擬的系統，可以添加一個增強放大器，其後是第二個梳狀濾波器，用於 “清除”額外的通道間 ASE，最後，一個可變光衰減器（VOA）階段用於實現整個梳狀結構的波長獨立精確功率控制，下圖顯示了每個元件的功能。


圖 5: MAP-300 SLTE 模擬系統的模組連接詳細圖說
圖 5: MAP-300 SLTE 模擬系統的模組連接詳細圖說
圖 6: MAP-300 模組的光學功能和控制點，用於產生 SLTE 模擬器的光學梳狀結構。
圖 6: MAP-300 模組的光學功能和控制點，用於產生 SLTE 模擬器的光學梳狀結構。

當系統組裝完成時，可產生像圖 7 中所示的頻譜，根據水下光通訊設備的需求，可以調整每個模擬載波，以改善或調整刺激的均勻性。


圖 7：SLTE 模擬器的光譜範例，已編程使用 80GHz 間距的 40 個通道；根據海底纜線系統的需求，可以調整每個模擬載波以改善或調整刺激的均勻性。
圖 7：SLTE 模擬器的光譜範例，已編程使用 80GHz 間距的 40 個通道；根據海底纜線系統的需求，可以調整每個模擬載波以改善或調整刺激的均勻性。

OSNR 量測子系統


OSNR 量測子系統非常傳統，其核心是光譜分析儀，另一個複雜之處在於確保輸入訊號功率處於安全範圍內，且處於理想的量測範圍內；為實現這一點，建議使用可變衰減器，連接圖如圖 8 所示。

圖 8：使用具有 VOA 輸入以進行功率保護的 OSNR 量測系統。
圖 8：使用具有 VOA 輸入以進行功率保護的 OSNR 量測系統。

總結


我們提出了以 VIAVI MAP-300 在開放纜線、或維護中的纜線的遠端，同時模擬 SLTE 並量測 OSNR，這個系統緊湊、快速且易於部署，透過實現獨立於真實 SLTE 的 OSNR 量測，可以極大簡化纜線的升級和驗證工作，儘管 GOSNR 是一個關鍵參數，但 OSNR 仍然是主要的貢獻者（來自 ASE），代表了確定已部署纜線功能的關鍵第一步。


延伸閱讀


參考資料

  1. Fibre optic communication subsystem test procedures - Part 2-9: Digital systems - Optical signal-to-noise ratio measurement for dense wavelength-division multiplexed systems (IEC 61280-2-9). (2009). International Electrotechnical Commission. https://www.iec.ch/

  2. Hartling, E., Pecci, P., Evans, D., Kamalov, V., Cantona, M., Mateo, E., Yaman, F., Pilipetskii, A., Mott, C., Lomas, P., & Murphy, P. (2019). Subsea Open Cables: A Practical Perspective on the Guidelines and Gotchas. In SubOptic 2019 PapersCommittee (Ed.), SubOptic 2019 Technical Program.

  3. Optical Manufacturing Test Platform from VIAVI Solutions.(n.d.). VIAVI SolutionsInc. Retrieved October 27, 2022,from https://www.viavisolutions.com/en-us/products/optical-manufacturing-test-platform

  4. TeleGeography. (2022a). Submarine Cable FAQs. Submarine Cable FAQ. https://www2.telegeography.com/submarine-cable-faqs-frequently-asked-questions#Cable-Map

  5. TeleGeography. (2022b,August 21). Submarine CableMap. Submarine CableMap.https://www.submarinecablemap.com/

  6. Clark, K. (n.d.). SubOptic 2019 Papers Archive. Suboptic 2019. Retrieved October 27, 2022, from https://suboptic2019.com/suboptic-2019-papers-archive/

  7. Optical amplifiers - Test methods - Part 10-4: Multichannel parameters - Interpolated source subtraction method using an optical spectrum analyzer (IEC 61290-10-4). (2007). International Electrotechnical Commission. https://www.iec.ch/

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