光信噪比（OSNR）是光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能參數(shù)之一。光性能監(jiān)控模塊（OPM）提供低成本的OSNR在線監(jiān)測(cè)功能，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)中起到越來越重要的作用。傳統(tǒng)的OSNR測(cè)試方法，即帶外測(cè)試方法，遵循IEC 61280-2-9標(biāo)準(zhǔn)，該方法通過測(cè)量信道間噪聲等效為信道內(nèi)噪聲從而計(jì)算出OSNR，目前大多數(shù)廠商的OPM均以此法作為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法。
隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的發(fā)展，40Gbit/s波分系統(tǒng)已經(jīng)開始被廣泛的部署。由于40G速率信號(hào)光譜較寬，當(dāng)信道間隔為50GHz或者更小時(shí)，相鄰信號(hào)光譜發(fā)生重疊串?dāng)_，傳統(tǒng)的OSNR測(cè)試方法無法得到真實(shí)的噪聲水平。另外，對(duì)于ROADM系統(tǒng)，信道間的噪聲水平會(huì)因?yàn)闉V波效應(yīng)而減小，導(dǎo)致傳統(tǒng)測(cè)試方法得到的噪聲水平偏低。這些問題的出現(xiàn)使OSNR測(cè)試面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)。
帶外測(cè)試方法的失效，使帶內(nèi)OSNR測(cè)量成為解決上述問題的根本途徑。目前的帶內(nèi)測(cè)試技術(shù)主要是基于偏振技術(shù)的方法，該方法根據(jù)信號(hào)光基本是偏振光而噪聲光基本是非偏振光的特征，通過光學(xué)和算法手段將信號(hào)光和噪聲光分離，從而實(shí)現(xiàn)OSNR測(cè)量。經(jīng)過將近十年的發(fā)展，各種基于偏振技術(shù)的帶內(nèi)測(cè)試方案取得了很大進(jìn)展，也有儀表廠商已經(jīng)推出了具備帶內(nèi)OSNR測(cè)試功能的新一代光譜分析儀。與儀表不同的是，OPM模塊對(duì)成本、尺寸等要求比較高，目前還沒有廠家推出具備帶內(nèi)OSNR測(cè)試功能的OPM模塊。本文提出一種方案，將偏振技術(shù)應(yīng)用于OPM模塊實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)OSNR測(cè)量，并通過測(cè)試數(shù)據(jù)證明該方案的可行性。
2. 原理與結(jié)構(gòu)
如圖1所示，虛線方框內(nèi)給出了具備帶內(nèi)OSNR測(cè)試功能的OPM模塊的基本結(jié)構(gòu)，其中包括偏振控制器，起偏分束器，一個(gè)1*2光開關(guān)，光譜獲取單元和數(shù)據(jù)處理（OSNR計(jì)算）單元。信號(hào)噪聲混合光首先經(jīng)過偏振控制器，偏振控制器的作用是改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，本文采用TN型液晶片的旋光特性通過電壓控制實(shí)現(xiàn)。 從偏振控制單元出射的光再經(jīng)起偏分束器分為兩部分光，調(diào)節(jié)偏振控制器使兩部分光的功率一大一小，用光譜獲取單元分別測(cè)量得到兩部分光的光譜。光譜獲取單元主要包括濾波器和探測(cè)器，本文采用了兩種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，一種是衍射光柵和陣列探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，另一種是MEMS可調(diào)諧濾波器和單通道探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。
測(cè)量得到的光譜功率數(shù)據(jù)按照兩部分光功率的大小分別記為P>i，P<i（>表示功率較大的那一部分光，i標(biāo)記波長(zhǎng)點(diǎn)）。由光譜數(shù)據(jù)在信道內(nèi)積分可以得到積分功率P>int，P<int，包含噪聲的信道光功率為
（1）
P>int，P<int均由信號(hào)和噪聲兩部分組成，即
（2）
其中， S為信號(hào)光功率，較大那一部分光包含的信號(hào)光功率表示為kS（0.5<=k<=1）。參數(shù)表示偏振分束器對(duì)特定波長(zhǎng)信號(hào)光分光的比例，其值取決于信號(hào)光的偏振態(tài)，調(diào)節(jié)偏振控制器可以改變k值大小。N為噪聲光功率，由于噪聲光是非偏振光，兩部分光中包含的噪聲光功率近似相等。
根據(jù)（2）式，信號(hào)功率可以表示為
（3）
當(dāng)信道噪聲功率為0時(shí)，
。在信道光譜功率的極大點(diǎn)i=max，噪聲光功率在光譜功率中所占比例最小，由此得到的初始估計(jì)值（零級(jí)近似值）
（4）
在初始估計(jì)的k值下，max點(diǎn)的噪聲功率為0，即N0MAX = 0。 在max點(diǎn)的附近（帶內(nèi)波段）選取左右兩點(diǎn)i=L，i=R，由可以計(jì)算得到L，R點(diǎn)的噪聲值的零級(jí)近似
（4）
其中
，
。 根據(jù)L,R點(diǎn)的噪聲零級(jí)近似值可以插值得到max點(diǎn)的噪聲一級(jí)近似值：
（5）
其中a為插值參數(shù)，本文采用線性插值計(jì)算。同上，根據(jù)max點(diǎn)的噪聲一級(jí)近似又可以計(jì)算噪聲二級(jí)近似。采用迭代算法計(jì)算帶內(nèi)噪聲，第j（j>=0）次迭代計(jì)算公式為：
（6）
與每一次迭代計(jì)算得到的噪聲值相應(yīng)的OSNR值為：
（7）
其中CBWs，CBWn分別為信號(hào)和噪聲的積分帶寬，為光譜采樣步長(zhǎng)。若忽略積分功率中的噪聲功率，則（7）簡(jiǎn)化為：
（8）
圖1. 帶內(nèi)OSNR模擬測(cè)試系統(tǒng)
3. 測(cè)試結(jié)果及分析
本文采用可調(diào)諧激光器和ASE光源模擬的信號(hào)噪聲混合光對(duì)上述方案進(jìn)行全面測(cè)試。如圖1所示，通過可調(diào)光衰減器可以改變OSNR的大小，并使用傳統(tǒng)的光譜分析儀測(cè)試真實(shí)的OSNR值。這里的模擬信號(hào)的噪聲是平坦分布的，因此用光譜分析儀采用帶外法可以測(cè)得準(zhǔn)確的OSNR，可以作為OPM帶內(nèi)法測(cè)試結(jié)果的校準(zhǔn)值。光譜獲取單元采用了兩種結(jié)構(gòu)：(a)衍射光柵和InGaAs陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu); (b) MEMS可調(diào)諧濾波器和單通道PIN二極管結(jié)構(gòu)。(a)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是沒有移動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，采樣速度快；缺點(diǎn)是探測(cè)器較昂貴，成本較高，采樣步長(zhǎng)受限于探測(cè)器像元數(shù)量。(b)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是光路簡(jiǎn)單，成本低廉，采樣步長(zhǎng)可變；缺點(diǎn)是穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，采樣速度較慢。
經(jīng)偏振分束器之后測(cè)得的光譜如圖2所示，圖中測(cè)試波長(zhǎng)為1550.12nm，P>i，P<i分別表示功率較大部分和功率較小部分光譜。(a)圖中偏振分光比k=0.83，光源信噪比約25dB，(b)圖中偏振分光比k=0.82，光源信噪比約15dB。
根據(jù)圖2所示光譜數(shù)據(jù)計(jì)算帶內(nèi)OSNR時(shí)，(a),(b)結(jié)構(gòu)均取L,R點(diǎn)為離中心波長(zhǎng)偏移約0.1nm處計(jì)算，噪聲積分帶寬為0.1nm。算法迭代過程如圖3所示,(a)結(jié)構(gòu)迭代次數(shù)約5次以后達(dá)到收斂值(迭代值變化小于0.01dB)；(b)結(jié)構(gòu)迭代次數(shù)約10次以后達(dá)到收斂值。從圖中可以看到，在OSNR為15~25dB范圍，兩種結(jié)構(gòu)的OSNR誤差均在+/-0.5dB以內(nèi)。
圖2. 經(jīng)過偏振分束器之后所測(cè)得的光譜
圖3. 帶內(nèi)法測(cè)試OSNR誤差與計(jì)算迭代次數(shù)的關(guān)系
通過偏振控制器可以改變偏振分光比k, 不同的k值下，OSNR測(cè)試能力不同。圖4給出在OSNR約25dB時(shí)，OSNR誤差與k值的關(guān)系。從圖中可以很明顯的看出，對(duì)于兩種結(jié)構(gòu)，總體趨勢(shì)均是k值越大，OSNR誤差越小。在k大于約0.8時(shí)，OSNR誤差均在0.5dB以內(nèi)，在k值為0.5~0.8范圍內(nèi)，(b)結(jié)構(gòu)的整體誤差要小于(a)結(jié)構(gòu)。
圖4. OSNR誤差與k值的關(guān)系
根據(jù)以上測(cè)試，滿足k值足夠大和迭代次數(shù)足夠多是算法上的必備條件，在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們可以對(duì)該方案的OSNR測(cè)量能力做全面的測(cè)試。如圖5所示，對(duì)兩種光譜獲取結(jié)構(gòu)，在k>0.8范圍內(nèi)分別選取三種k值進(jìn)行測(cè)試。整體規(guī)律是OSNR越大，測(cè)試誤差越大。具體的，OSNR=15~25dB范圍， OSNR誤差均在0.5dB范圍以內(nèi)；OSNR=25-30dB范圍內(nèi)，(a)結(jié)構(gòu)的最大誤差約2.5dB，(b)結(jié)構(gòu)的最大誤差約1.5dB；OSNR=30-35dB范圍，(a)結(jié)構(gòu)最大誤差在10dB以上（在圖示范圍外），(b)結(jié)構(gòu)最大誤差約4dB。根據(jù)這個(gè)測(cè)試結(jié)果，完全能夠滿足目前的OPM指標(biāo)需求。
圖5. OSNR誤差與待測(cè)OSNR大小的關(guān)系
4. 結(jié)束語(yǔ)
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于偏振技術(shù)的具備帶內(nèi)OSNR測(cè)試功能的光性能監(jiān)控模塊，在傳統(tǒng)的OPM模塊的基礎(chǔ)上，加入偏振控制，偏振分束以及光開關(guān)技術(shù)，并通過算法分析得到帶內(nèi)OSNR。根據(jù)模擬信號(hào)測(cè)試，在25dB以內(nèi)，OSNR精度可以達(dá)到0.5dB以內(nèi)，滿足目前OPM 模塊的技術(shù)指標(biāo)。與傳統(tǒng)的帶外法不同的是，該方案不需要從信道間取噪聲，只需要取信道中心波長(zhǎng)附近0.1nm范圍以內(nèi)的光譜即可計(jì)算出OSNR，因此可以用于光譜展寬較大的40G或者更高速率的DWDM光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，也可以避免ROADM系統(tǒng)的濾波效應(yīng)導(dǎo)致的帶外噪聲失真的問題。模塊結(jié)構(gòu)緊湊，無移動(dòng)部件，在傳統(tǒng)OPM的基礎(chǔ)上增加的成本不高，具備一定的商用價(jià)值。