具备带内OSNR监控功能的OPM设计实现

　　1. 引言

　　光信噪比（OSNR）是光网络的关键性能参数之一。光性能监控模块（OPM）提供低成本的OSNR在线监测功能，在网络建设和维护中起到越来越重要的作用。传统的OSNR测试方法，即带外测试方法，遵循IEC 61280-2-9标准，该方法通过测量信道间噪声等效为信道内噪声从而计算出OSNR，目前大多数厂商的OPM均以此法作为标准的测试方法。

　　随着网络带宽的发展，40Gbit/s波分系统已经开始被广泛的部署。由于40G速率信号光谱较宽，当信道间隔为50GHz或者更小时，相邻信号光谱发生重叠串扰，传统的OSNR测试方法无法得到真实的噪声水平。另外，对于ROADM系统，信道间的噪声水平会因为滤波效应而减小，导致传统测试方法得到的噪声水平偏低。这些问题的出现使OSNR测试面临新的技术挑战。

　　带外测试方法的失效，使带内OSNR测量成为解决上述问题的根本途径。目前的带内测试技术主要是基于偏振技术的方法，该方法根据信号光基本是偏振光而噪声光基本是非偏振光的特征，通过光学和算法手段将信号光和噪声光分离，从而实现OSNR测量。经过将近十年的发展，各种基于偏振技术的带内测试方案取得了很大进展，也有仪表厂商已经推出了具备带内OSNR测试功能的新一代光谱分析仪。与仪表不同的是，OPM模块对成本、尺寸等要求比较高，目前还没有厂家推出具备带内OSNR测试功能的OPM模块。本文提出一种方案，将偏振技术应用于OPM模块实现带内OSNR测量，并通过测试数据证明该方案的可行性。

　　2. 原理与结构

　　如图1所示，虚线方框内给出了具备带内OSNR测试功能的OPM模块的基本结构，其中包括偏振控制器，起偏分束器，一个1*2光开关，光谱获取单元和数据处理（OSNR计算）单元。信号噪声混合光首先经过偏振控制器，偏振控制器的作用是改变入射光的偏振态，本文采用TN型液晶片的旋光特性通过电压控制实现。 从偏振控制单元出射的光再经起偏分束器分为两部分光，调节偏振控制器使两部分光的功率一大一小，用光谱获取单元分别测量得到两部分光的光谱。光谱获取单元主要包括滤波器和探测器，本文采用了两种结构实现，一种是衍射光栅和阵列探测器的结构，另一种是MEMS可调谐滤波器和单通道探测器的结构。

　　测量得到的光谱功率数据按照两部分光功率的大小分别记为P>i，P<i（>表示功率较大的那一部分光，i标记波长点）。由光谱数据在信道内积分可以得到积分功率P>int，P<int，包含噪声的信道光功率为

　　 （1）

　　P>int，P<int均由信号和噪声两部分组成，即

　　 （2）

其中， S为信号光功率，较大那一部分光包含的信号光功率表示为kS（0.5<=k<=1）。参数表示偏振分束器对特定波长信号光分光的比例，其值取决于信号光的偏振态，调节偏振控制器可以改变k值大小。N为噪声光功率，由于噪声光是非偏振光，两部分光中包含的噪声光功率近似相等。

　　根据（2）式，信号功率可以表示为

　　 （3）

　　当信道噪声功率为0时，。在信道光谱功率的极大点i=max，噪声光功率在光谱功率中所占比例最小，由此得到的初始估计值（零级近似值）

　　（4）

　　在初始估计的k值下，max点的噪声功率为0，即N0MAX = 0。 在max点的附近（带内波段）选取左右两点i=L，i=R，由可以计算得到L，R点的噪声值的零级近似

　　 （4）

其中，。 根据L,R点的噪声零级近似值可以插值得到max点的噪声一级近似值：

　　 （5）

其中a为插值参数，本文采用线性插值计算。同上，根据max点的噪声一级近似又可以计算噪声二级近似。采用迭代算法计算带内噪声，第j（j>=0）次迭代计算公式为：

　　（6）

　　与每一次迭代计算得到的噪声值相应的OSNR值为：

 　　（7）

其中CBWs，CBWn分别为信号和噪声的积分带宽，为光谱采样步长。若忽略积分功率中的噪声功率，则（7）简化为：

　　 （8）

图1. 带内OSNR模拟测试系统

　　3. 测试结果及分析

　　本文采用可调谐激光器和ASE光源模拟的信号噪声混合光对上述方案进行全面测试。如图1所示，通过可调光衰减器可以改变OSNR的大小，并使用传统的光谱分析仪测试真实的OSNR值。这里的模拟信号的噪声是平坦分布的，因此用光谱分析仪采用带外法可以测得准确的OSNR，可以作为OPM带内法测试结果的校准值。光谱获取单元采用了两种结构：(a)衍射光栅和InGaAs阵列探测器结构; (b) MEMS可调谐滤波器和单通道PIN二极管结构。(a)结构的优点是没有移动部件，稳定性好，采样速度快；缺点是探测器较昂贵，成本较高，采样步长受限于探测器像元数量。(b)结构的优点是光路简单，成本低廉，采样步长可变；缺点是稳定性和重复性较差，采样速度较慢。