激光光源在光通信系统中发挥着重要作用，但其噪声特性对质量有重大影响，因此在其运行过程中具有重要意义。
由于激光的噪声特性是决定通信信噪比（SNR）的一个因素，因此激光的制造和设计都要符合国际规定和标准。
本专栏介绍光通信中不同类型的激光噪声，以及它们各自的标准和评估方法。
目录
- 1. 激光噪声类型（相对强度噪声和线宽）
- 2. 相对强度噪声的标准类型
- 3. 相对强度噪声的评估方法
- 4. 线宽标准类型
- 5. 线宽的评估方法
- 6. 附录：激光的安全规定、安全措施和分类
- 7. 结论：光通信中激光噪声的标准是什么？
- 8. SYCATUS 相对强度噪声测量系统 “A0010A”
- 9. SYCATUS 光噪声分析仪 “A0040A”
1. 激光噪声类型（相对强度噪声和线宽）
作为信号源，我们通信系统中使用的激光器特性会发生变化（噪声）。由于这会影响通信质量甚至通信容量，因此国际上对其评估和标准做出了规定。有两种激光噪声的评估尤为重要。
相对强度噪声 (RIN)
相对强度噪声（RIN）是指激光输出强度的波动现象。光强度的波动会对通信的信噪比产生不利影响。管理相对强度噪声对于保持通信质量和抑制错误至关重要。尤其是在激光的调制率不断提高、调制方案变得多级化以及必须降低激光器电流以实现低功耗的今天，评估激光的相对强度噪声对确保信噪比至关重要。
线宽
线宽是指激光的频率（波长）波动引起的光谱宽度，是数字相干通信系统中一个特别棘手的因素。如果线宽过宽，通信信号的精确解调就会变得困难，错误率也会增加。因此，激光输出的线宽也有严格的标准。较窄的线宽可提供较高的信噪比，这对于多级调制方案和长距离通信尤为有利。
供参考…
除了相对强度噪声和线宽之外，还为光通信中使用的激光器规定了激光安全标准，这些标准主要受激光设备安全国际标准（IEC 60825-1 和 IEC 60825-2 “激光产品安全 ”*）的约束。每个制造商都必须按照这些规定设计和制造激光产品。
* IEC 60825-1 和 IEC 60825-2 中对激光的安全规定和分类详见第 6 章。
2. 相对强度噪声的标准类型
为了保证相对强度噪声，各种国际标准都制定了相对强度噪声标准。其中，电气与电子工程师协会（IEEE）的标准经常被提及。
IEEE 标准
IEEE 标准主要在高速数据通信和以太网通信领域被广泛采用，它允许各种通信设备按照通用的程序相互通信。
IEEE 802.3 标准规定了高速通信系统中激光器的相对强度噪声，最高可达 800 Gbps（千兆比特每秒）。
IEEE 802.3 标准根据 RIN x OMA 评估项目定义了每种通信方法的最大允许值。
3. 相对强度噪声的评估方法
要评估相对强度噪声，需要使用 RIN 测量系统等高精度测量仪器来测量 RIN 频谱并计算 RIN x OMA 等值。
步骤1 设置测量环境
使用光衰减器或类似装置将未调制状态下的激光输出光调整到适合测量的强度。光强度越高，可测量的 RIN 水平越低，但不应超过测量系统的容差。测量单个激光器的 RIN 时，建议使用低噪声激光驱动器。此外，由于 RIN 取决于激光器的回射光，因此应尽可能减少回射光，除非像 RIN×OMA 那样有意设置回射光。
步骤2 Acquisition of RIN spectrum
通过测量系统获取 RIN 光谱。一般来说，要求频谱的带宽等于激光的调制速率。由于测量目标是噪声频谱，因此需要采集几十次或更多次的平均值。
步骤3 测量评估
测量 RIN 频谱，获得最大值，并根据标准对频谱进行滤波后获得平均值。
步骤4 RIN x OMA Evaluation
要获得 IEEE802.3 的 RIN x OMA，还需要测量调制过程中的功率。在激光按规定调制的情况下，执行上述步骤 1 至步骤 3，根据 IEEE802.3 中定义的计算公式计算 RINxOMA 值。
4. 线宽标准类型
线宽标准对光通信的信号稳定性也有很大影响，许多国际标准都制定了线宽标准。其中，上述 IEEE、OIF（光网络论坛）和 ITU-T（国际电信联盟-电信标准化部门）标准被广泛采用为线宽标准。激光光源的线宽根据各标准规定的标准进行评估。
IEEE 标准
IEEE 定义了激光线宽标准，尤其是数字相干系统的激光线宽必须低于规定值。802.3ct 和 802.3cw 使用白噪声线宽作为评估指标。关于线宽的定义，可参考 ITU-T G.698.2。要确定白噪声线宽，必须测量激光器的光频噪声频谱。传统的延迟干涉仪线宽测量无法获得白噪声线宽。
ITU-T 标准
ITU-T 标准 G698.2 规定了数字相干系统激光器的线宽。与 IEEE 标准一样，这里也要求对白噪声线宽进行评估。
OIF 标准
OIF （光网络论坛）是一个制定光通信技术标准的非营利性组织。作为光通信互连的标准化组织，OIF 为激光器提供线宽标准，尤其是与数据中心之间的数字相干通信有关的标准。线宽要求表示为光频率噪声频谱的掩码。
OpenZR+ 标准
OpenZR+ 是专门针对数据中心间通信的标准，涵盖 100G 至 400G 的数字相干光通信技术。与 OIF 一样，OpenZR+ 也规定了作为频率噪声频谱掩码的线宽特性。
5. 线宽的评估方法
选择合适的仪器来测量激光器的线宽。普通的光学频谱分析仪或延迟干涉仪无法进行详细的线宽测量，如白噪声线宽。因此需要使用光学噪声分析仪或能够评估光学频率噪声频谱的类似仪器。
步骤1 设置测量环境
将激光器调至未调制状态，并使用光衰减器或类似装置将光强调节到适合测量的水平。光强度越高，可测量的线宽水平越低，但不应超过测量系统的容差。测量单个激光器的线宽时，建议使用低噪声激光驱动器。此外，由于线宽对激光器的回光非常敏感，因此在将激光器的光耦合到光纤时应使用光隔离器。
步骤2 获取光频噪声频谱
使用光学噪声分析仪或类似仪器获取光频噪声频谱。由于测量目标是噪声频谱，因此需要取几十次或更多次的平均值。
步骤3 测量评估
OIF 和 OpenZR+ 标准需要验证光频噪声频谱是否低于要求的掩码。在 IEEE 和 ITU-T 标准中，要提取光频噪声频谱中水平轴上高频区域（通常为 100 kHz 或以上）平坦部分的电平（单位：Hz2/Hz），并评估该电平乘以 π 所得到的值。所有标准都必须测量光频噪声频谱。
6. 附录：激光的安全规定、安全措施和分类
IEC 60825-1 和 IEC 60825-2 是规定激光产品安全的 IEC 标准。
为了安全使用激光，必须根据激光的功率等级和使用条件遵守相应的分类和安全标准。
以下 1 级或 1M 级分类通常适用于用于光通信的激光光源。
| 1级 | 波长范围：涵盖安全发射限值内的所有波长。 强度：极低；不超过1级的可接触发射限值（AEL）。 安全性：在所有使用条件下均安全，包括长期暴露。通常是封闭或本质安全的系统，如激光打印机或光纤。 |
| 1M级 | 波长范围：通常为红外线（IR）或可见光谱。 强度：在无辅助观察下足够低，但使用双筒望远镜等光学辅助设备观察时可能会超过安全极限。 安全性：对肉眼安全；放大观察时需要采取预防措施。 |
| 2级 | 波长范围：仅限于可见光（400-700纳米）。 强度：限制在1毫瓦；由于眨眼或转头等自然回避反应，因此是安全的。 安全性：短暂暴露是安全的；故意凝视或忽略回避反应可能会带来风险。 |
| 2M级 | 波长范围：可见光（400-700纳米）。 强度：与2级相似；在无辅助设备的情况下观看是安全的，但放大后可能存在风险。 安全性：避免使用放大光学设备；否则，安全性与2级相似。 |
| 3R级 | 波长范围：涵盖可见光、红外线和紫外线（UV）区域。 强度：功率可达5毫瓦。 安全性：意外暴露的风险较低，但直接观看光束或长时间暴露可能有害。 |
| 3B级 | 波长范围：包括可见光、红外线和紫外线区域。 强度：功率在5毫瓦至500毫瓦之间；可立即造成眼睛损伤。 安全性：需要佩戴防护眼镜，并在受控环境中使用；漫反射通常安全。 |
| 4级 | 波长范围：适用于所有波长。 强度：超过500毫瓦；高强度光束能够灼伤皮肤、损伤眼睛或点燃材料。 安全性：需要采取严格的安全措施；直接、反射或散射光束均具有危险性。 |
1 类激光器的功率水平被认为是无害的，可在安全的环境中使用。1 级激光器不需要特别的警告标签，但制造商会仔细规定使用环境和方法，以确保用户不会意外处理高功率激光器。
4 级激光器是功率最高、最危险的分类。4 级激光器的直射光或反射光会对眼睛和皮肤造成危害。因此，在使用 4 级激光器时，必须贴上警告标签并采取安全措施，而且法律规定必须佩戴和使用适当的防护设备。
IEEE 802.3 要求激光输出的设计不能超过一定的强度水平，并规定了安全标签和警告标志。激光属于 1 级或 1M 级，要求用户采取适当的安全措施。
参考资料：
【レーザー製品の安全基準】レーザークラスの分類と安全対策、関連する法令等について解説｜株式会社日本レーザー ([激光产品安全基准]激光的等级分类、安全对策以及相关法律法规)
レーザーの安全規格｜株式会社大興製作所 (激光安全標準)
7. 结论：光通信中激光噪声的标准是什么？
光通信系统中的激光噪声和安全规定旨在提高通信质量和确保用户安全。激光的相对强度噪声和线宽标准是根据国际标准制定的。此外，分类和警告标签要求在处理激光束时采取严格的安全措施。今后，随着光通信技术的进一步发展，激光的噪声和安全标准将酌情进行审查，并彻底执行。
8. SYCATUS 相对强度噪声测量系统 “A0010A”
SYCATUS 的 A0010A RIN 测量系统采用了专为相对强度噪声测量而优化设计的高灵敏度、低噪声光接收器，以及 Keysight Technologies 公司的高性能 X 系列信号分析仪。
世界上最宽的 50 GHz 测量带宽用于评估相对强度噪声频谱。
9. SYCATUS 光噪声分析仪 “A0040A”
SYCATUS 的 A0040A 光学噪声测量系统设计用于评估激光器作为光频噪声频谱的线宽。
它覆盖了从 O 波段到 L 波段的宽波长范围。它可在 -7 dBm 至 +3 dBm 的宽光功率范围内提供高重复性。窄线宽测量可达 0.002 Hz（水平轴频率为1 MHz时）。
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