Was ist ein optischer Spektrumanalysator?

Ein optischer Spektrumanalysator (OSA) ermittelt den Leistungspegel einer optischen Quelle in einem ausgewählten Wellenlängenbereich und zeigt diesen an. Ähnlich wie ein HF-Spektrumanalysator bildet der OSA die Leistung auf der (vertikalen) y-Achse und die Wellenlänge auf der (horizontalen) x-Achse ab. Er misst die drei wichtigen Kennwerte Wellenlänge, Leistungspegel und optischer Signal-Rausch-Abstand (OSNR).

Ein glasfaserbasiertes Kommunikationsnetz, das das Wellenlängenmultiplex-Verfahren (WDM) nutzt, um mehrere optische Trägersignale über eine einzige Glasfaser zu übertragen, ist eine ideale Anwendung für einen OSA-Spektrumanalysator. Langstreckennetze mit Inline-Verstärkung sind auf präzise optische Leistungs- und OSNR-Messungen angewiesen, um eine optimale Leistung sicherzustellen. Während einige OSA-Analysatoren für spezielle Wellenlängenbänder (C-, L-, O-Band usw.) entwickelt wurden, können andere optische Spektrumanalysatoren über mehrere Bänder hinweg eingesetzt werden. Optische Spektrumanalysatoren ermöglichen auch, die Transmissivität (Durchlassvermögen) und die Reflektivität (Reflexionsvermögen) optischer Komponenten bei spezifischen Wellenlängen sowie das Rauschen optischer Verstärker zu testen.

Glasfasernetze nutzen Lichtpulse, um digitale Daten über Tausende Kilometer zu übertragen. Heute kommen die Highspeed-Datenübertragung und die WDM-Technologie in CATV-HFC/DAA- und 5G-xHaul-Netzen sowie für DCI-Zusammenschaltungen von Hyperscale-Rechenzentren zur Anwendung. Für den Feldeinsatz müssen die entsprechenden Testlösungen in der Lage sein, wellenlängenselektive Messungen durchzuführen, um die kritischen Parameter einzelner Kanäle oder Dienste zu erfassen. Mit der weiteren Verbesserung der Genauigkeit, Auflösung und Benutzerfreundlichkeit der optischen Spektrumanalysatoren ergeben sich neue Möglichkeiten für die Entwicklung weltweiter Spitzenprodukte und effizienter Produktionstests an optischen Systemen und Komponenten.

Labor und Produktion

Optische Spektrumanalysatoren werden für gewöhnlich weltweit zur Forschung und Entwicklung in Laboren eingesetzt, um mit Neuentwicklungen in der Laser-, LED-, WDM- und Transponder-Technologie der nächsten Generation immer wieder neue Maßstäbe zu setzen. Um diese Komponenten dann in neue Systeme zu integrieren und bedarfsgerecht herzustellen, werden Testlösungen benötigt, die die Produktion präzise und zuverlässig sowie auf Millisekunden genau überwachen können.  

• Hochauflösende Spektrummessungen ermöglichen die tiefgehende Analyse modulierter DWDM-Sender in Labor und Produktion. Das Modul mHROSA von VIAVI bietet im erweiterten C-Band eine Wellenlängenauflösung, die im Sub-GHz-Bereich liegt. Damit vermittelt dieses Modul den Herstellern aussagekräftige Einblicke in detaillierte spektrale Merkmale kohärenter Modulationsformate einzelner und mehrerer Träger und ermöglicht, Modulatoren abzustimmen und das OSNR zu überprüfen. 

• Die Serienproduktion von Modulen, passiven Komponenten, Lasern und Verstärkern ist auf schnelle und flexibel einsetzbare optische Spektrumanalysatoren angewiesen, die den gesamten Singlemode-Wellenlängenbereich von 1250 nm bis 1655 nm abdecken. Hier werden vor allem Kanalleistung, Bandbreite, Rauschleistung und OSNR gemessen. Der optische Breitband-Spektrumanalysator mOSA-C1 für die MAP-Plattform von VIAVI ist ein ultrakompakter Moduleinschub, der eine beispiellose Messgeschwindigkeit und Bedienerfreundlichkeit gewährleistet.

Optische Spektrumanalysatoren im Feldeinsatz<

Ohne moderne optische Spektrumanalysatoren wären die heutigen komplexen Glasfasernetze nicht beherrschbar. Während des gesamten Lebenszyklus dieser Netze müssen Wellenlängen und Leistungspegel gemessen werden. Bei optischen Hochgeschwindigkeitsnetzen mit Inline-Verstärkern und rekonfigurierbaren optischen Add/Drop-Multiplexern (ROADM) wird die Leistungsfähigkeit der optischen Übertragungsstrecke mit Hilfe des optischen Signal-Rausch-Abstands (OSNR) bewertet.  

• CWDM-Tests: Für Glasfasernetze, die das grobe Wellenlängenmultiplex-Verfahren (CWDM) mit einem Kanalabstand von 20 nm verwenden, bieten sich kompakte, vollwertige OSA-Lösungen an. Zum Testen von Zugangsnetzen sollte ein solcher Analysator mindestens 18 Kanäle und Wellenlängen von 1250 nm bis 1650 nm unterstützen sowie einen Leistungsmessbereich von -50 dBm bis +10 dBm, für leistungsstärkere CATV-Anwendungen sogar bis +25 dBm, aufweisen. Ein portabler optischer Kanalprüfer (Optical Channel Checker, OCC), der nur die Leistung und die Wellenlängen misst, kann sich ebenfalls als unverzichtbare und wirtschaftliche Lösung erweisen, da CWDM-Strecken (zumeist) nicht verstärkt sind und der OSNR-Abstand daher nicht überprüft werden muss.  

• DWDM-Systemtests: Das dichte Wellenlängenmultiplex-Verfahren (DWDM) war früher nur auf Langstreckennetze (>100 km) beschränkt. Heute wird es mit einem Kanalabstand von unter 0,8 bzw. 0,4 nm im C-Band auch für Zugangsnetze und Rechenzentren eingesetzt. Aufgrund der ROADM-Technologie sind OSNR-Messungen bei der Installation, Optimierung und Wartung von Netzwerkstrecken und Diensten unverzichtbar geworden.  

  

• Leitungsseitige 100G-Tests: 100G-Netze mit Inline-ROADM-Multiplexern stellen völlig neue Anforderungen an die Durchführung optischer Spektrummessungen. Obgleich die Installation, Wartung und Fehlerdiagnose mit den älteren 10G-Netzen vergleichbar sind, haben die neuen kohärenten Modulationsformate auch neue Herausforderungen eingeführt. Moderne optische Spektrumanalysatoren, wie der (OSCA-710), der mithilfe eines spektralen Korrelationsverfahrens von einem Verstärker-Testpunkt aus die Wellenlänge, die Leistung und den Imband-/In-Service-OSNR-Abstand eines jeden DWDM-Kanals messen kann, werden empfohlen, um kohärente 100G-Netze präzise zu charakterisieren, ohne die den Kunden bereitgestellten Dienste zu unterbrechen. 

  

Um die Spektrumanalyse, die ursprünglich für Funkwellen entwickelt wurde, auf Lichtwellen zu übertragen, gilt es zu beachten, dass Licht ebenfalls eine Form der elektromagnetischen Strahlung ist. Ein optischer Spektrumanalysator (OSA) muss in der Lage sein, eine bestimmte Wellenlänge zur Messung auszuwählen, Anschließend wandelt ein Fotodetektor die Lichtenergie in messbare elektrische Energie (Leistung) um. Zur Auswahl spezifischer optischer Wellenlängen für die Messung stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. 

• Beugungsgitter (Monochromator) 
  Um die Leistung einer einzelnen Wellenlänge zu ermitteln, besitzt der optische Spektrumanalysator in diesem Fall einen Monochromator mit einem rotierenden Beugungsgitter. Durch die Drehbewegung des Beugungsgitters trifft nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlängen auf den Fotodetektor. Diese Methode erlaubt, einen bereiten Spektralbereich zu berücksichtigen und präzise Messwerte auszugeben. Aufgrund der Empfindlichkeit der rotieren Komponenten im Monochromator müssen diese Spektrumanalysatoren jedoch zuverlässig vor Stößen und sonstigen mechanischen Erschütterungen geschützt werden.
• Fabry-Perot-Methode 
  Das Fabry-Perot-Interferometer filtert einfallendes Licht mithilfe von zwei parallelen Spiegeln, die einen optischen Resonator bilden. Zur Auswahl der Wellenlänge des einfallenden Lichtes wird der Abstand zwischen den Spiegeln mithilfe von Piezo-Elementen auf die benötigte Resonanzbedingung eingestellt. Die Auflösung eines optischen Spektrumanalysators mit Fabry-Perot-Interferometer ist davon abhängig, wie exakt der Spiegelabstand einstellbar ist. Diese Methode ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit der Wellenlänge, obgleich der Dynamikbereich begrenzt ist. Da keine sich bewegenden Komponenten vorhanden sind und auch dicht nebeneinanderliegende Kanäle erkannt werden können, bieten sich Spektrumanalysatoren mit Fabry-Perot-Interferometer auch für Mess- und Überwachungsanwendungen an DWDM-Netzen im Labor und im Feldeinsatz an. 

OCV/OSA-4100

Die vielseitige Produktfamilie der Nano OSA-Module von VIAVI umfasst den hochauflösenden optischen Vollband-Spektrumanalysator OSA-4100 sowie die Module OCV-4100 zur optischen Kanalprüfung. Da CWDM und DWDM in Zugangsnetzen zur Übertragung von Breitbanddiensten eingeführt und die MWDM-/LWDM-Verfahren für den Einsatz in 5G-Netzen untersucht werden, schließen diese kompakten Module mit ihrer Präzision und Portabilität eine wichtige Lücke und beschleunigen die Installation, Bereitstellung und Wartung dieser Systeme. Die Module besitzen einen SFP-/SFP+-Schacht zum Abstimmen und Überprüfen dieser Steckmodule im Feldeinsatz. Auch können sie in Verbindung mit anderen Plattformen von VIAVI genutzt werden, um Komplettlösungen zur optischen Spektrumanalyse sowie zum Testen aktivierter Highspeed-Dienste, von 5G-Mobilfunksystemen und der Bitfehlerrate (BERT) sowie für OTDR-Messungen zu schaffen. 

OSA-110M/H

Mit ihrer überragenden optischen Auflösung über den gesamten Wellenlängenbereich hinweg und einem Kanalabstand von nur 33 GHz erfüllen die leistungsstarken Module OSA-110M und OSA-110H die anspruchsvollen optischen Testanforderungen DWDM-basierter Langstrecken- und Zugangsnetze. Für CATV-Anwendungen ist das OSA-110H zudem bei hohen Leistungspegeln bis +25 dBm einsetzbar. Die Produktreihe OSA-100 unterstützt die Plattformen MTS-6000A und MTS-8000 und bietet eine zukunftssichere Signalanalyse zum Testen von 40G/100G-Systemen und neuen Modulationsformaten. 

OSA-500/M/R/RS

Die Modellreihe OSA-500 von VIAVI wird den beispiellosen Testanforderungen hochbitratiger DWDM-Systeme durch eine extrahohe optische Auflösung, die Berücksichtigung des gesamten Wellenlängenbereiches sowie durch Kanalabstände von nur 25 GHz gerecht. Das OSA-500RS unterstützt OSNR-Imband-Messungen und erlaubt daher, effiziente In-Service-Messungen an ROADM-basierten Systemen durchzuführen. Durch die integrierte konstante Wellenlängenreferenz kann während der gesamten Einsatzdauer des Gerätes auf externe Kalibrierungen verzichtet werden. 

Optical Channel Checker (OCC)

Ein Optical Channel Checker (OCC) ist ein kompakter, handlicher, einfach zu bedienender und preiswerter optischer Kanalprüfer zur Installation, Wartung und Fehlerdiagnose von xWDM-Strecken, für die keine OSNR-Messungen erforderlich sind. Der Kanal und dessen Leistung werden zumeist in einer einfachen Balkenanzeige dargestellt. Der SmartClass OCC-55 misst bis zu 18 Kanäle zur zuverlässigen CWDM-Charakterisierung, während der SmartClass OCC-56 für die DWDM-Analyse entwickelt wurde. Die anspruchsvolleren OCC-Module COSA-4055 für CWDM und OCC-4056C für DWDM bieten einen größeren Funktionsumfang. Sie zeigen die Spektralkurve, den Wellenlängenversatz und die Leistungsdrift an und besitzen zudem einen SFP-/SFP+-Schacht zum Abstimmen und Überprüfen von optischen Steckmodulen. Beide unterstützen die Installation und Wartung von Metro-/Zugangsnetzen, Fiber-Deep- sowie 5G-DWDM-Anwendungen. 

Labor und Produktion

Die optischen Spektrumanalysator-Module von VIAVI für Entwicklung und Produktion erfüllen die spezifische Anforderungen, die die Kunden an ihre Testanwendungen, die optische Auflösung und die Geschwindigkeit stellen. Als Bestandteil der vielseitigen Multiple Application Plattform (MAP) für skalierbare und konfigurierbare optische Tests zeichnen sich das ultrakompakte und hochauflösende Modul mHROSA und das Highspeed-Modul mOSA-C1 durch eine beispiellose Bedienerfreundlichkeit und Vielseitigkeit aus. Daher bieten sich diese Produkte für neue optische Test- und Produktionsumgebungen an.