CN101103561A - 光信号的监测 - Google Patents

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Abstract

一种利用光电二极管(54、56、58)在WDM电信系统10中的节点(12、14、16)处监测光信号60的设备和方法。每个光电二极管(54、56、58)具有相对于光信号的多个比特周期的短响应时间以允许测量其光功率。此类光电二极管(54、56、58)可用于监测系统10中的许多节点(12、14、16)并且便于监测相隔很远的节点中的光信号。光电二极管(54、56、58)还允许通过获得特定光信号60的最大光功率P1和最小光功率P0的值计算光信号60的光信噪比(OSNR)。

Description

光信号的监测
本发明涉及在WDM光电信网络中监测光信号。
已知的WDM光电信网络包括发送节点和接收节点，用于在其间发送和接收光信号。在密集波分复用(DWDM)电信网络的情况中，发送节点包括用于生成多个信号的多个激光器，每个信号对应于要发送到接收节点的特定信道。在发送节点中，每个信号输入复用器以产生输入单个光纤的一个宽带信号。然后，宽带信号可被输入发送节点中的掺铒光纤放大器(EDFA)以发送到可能位于数千公里之外的接收节点。
从EDFA发出的宽带信号的一小部分光功率可能被输入发送节点的功率监测单元(PMU)。PMU测量宽带信号中的多个信号中每一个的平均功率。要测量光信噪比(OSNR)，可以测量一个信号的平均功率，并且与在频谱中与该信号直接相邻的平均噪声功率比较。然后可以计算OSNR的测量值。
多个信号中每一个的OSNR可用于提供传送光信号的光纤的恶化状态的指示。PMU通常是在机架上安装的卡并且可能由于使用的昂贵光电组件而成本高达￡10,000。
如果发送和接收节点之间的距离大于例如80公里，可能在它们之间需要中间节点以维持宽带信号的功率。中间节点和接收节点均具有EDFA以放大宽带信号并且可能配备PMU以确定功率和计算多个信号中每一个的OSNR。如果发送节点和接收节点相隔数千公里，可能需要几十个中间节点。各个节点中的每个EDFA增大多个信号中每一个的功率以克服传输光纤和光组件中的损耗，但也会增大整体噪声水平。
监测光信号的功率的先有方法和随后的OSNR计算有几个问题。这样的计算依赖于特定信号内的噪声水平与和该信号直接相邻的光频率上的噪声水平相同的假设。此假设是近似而事实并不一定如此，这可能导致不精确的OSNR计算。此外，使用每个中间节点的PMU确定多个信号中每一个的功率是成本十分高昂的方法。在需要许多中间节点时尤其如此，例如在接收节点距发送节点3000公里时。
下面将说明带有上述缺点的监测光信号功率的先前已知方法和随后的OSNR计算的实例。
具体地说，EP 1376899(Alcatel)依赖于光信号限于窄电子带宽的假设，而噪声出现在宽得多的范围上。因此，电子滤波允许对两个组件进行独立测量以体现OSNR。这并不十分精确，因为实际测量的未滤波噪声值会在频谱上从信号频率移除。因此无法得到真正“相同波长”OSNR。此引述的方法与本发明的不同之处在于，本发明提供在所关注波长(频率)上对OSNR的直接测量。此外，没有关于如何测量或计算在特定所关注频率上的OSNR的公开。没有提到使用单一信道的最大或最小光功率电平来计算或获得该特定信道的OSNR测量值。
EP 0762677(Fujitsu)是使用解复用光栅馈给光电二级管阵列获取指示OSNR测量值的已知方法的实例。所述方法把信道的光信号和与该信道相邻的噪声分量进行比较。(参见关于图1的第7页第31至33行)，因此这个方法具有与上述相同的不精确性。
US 6396051(Sycamore)也涉及通过测量信道的功率和与所关注信道相邻的信道的噪声功率来测量OSNR的传统方法，(参见第7栏、式2、第27至28行)。所引述专利的设备还需要可调谐滤波器来分离信道功率测量值和噪声，如第9栏第36至42行所述。
US 2003/161163(Lambda Crossing Ltd.)也涉及测量OSNR的传统方法，但涉及极其复杂和高成本的分路器和可调谐滤波器配置以允许对多个光参数的测量，如第6页第71段所述和式1所示。在式1中，S1是特定滤波器调谐到的光信号，而Sj是所关注信道中的其它光信号。这表示不测量特定信道中的噪声功率，而只测量邻近信道的噪声功率。
所有上述先有已知方法都是测量OSNR的高成本不精确方法。
本发明的一个目的是提供比其它已知方法和设备的精确度更高和实现成本更低的、用于测量光信号的光信噪比的方法和设备。
根据本发明的第一方面，提供如所附权利要求所述的采用具有权利要求中所述特征的光电二极管的设备。
根据本发明的第二方面，提供如所附权利要求所述的采用具有权利要求中所述特征的光电二极管的方法。
根据本发明的第二方面，提供如所附权利要求所述的采用如所附权利要求所述的设备的WDM电信系统。
本发明的设备和方法提供了监测WDM电信系统的光信号的简易方法，可用于测量系统的发送节点、中间节点或接收节点处的OSNR。光电二极管的成本在几十英磅范围内并且与成本可能为￡10,000或更多的先有电信网络的功率监测单元(PMU)相比是较为便宜的。
根据本发明，光信噪比(OSNR)通过获得相同光频率的选定信道中光信号的最大光功率(P1)和最小光功率(P0)的值来计算。最大光功率(P1)代表信号光功率(P1)和噪声光功率(P0)的和，而最小光功率(P0)只代表噪声光功率。然后可以计算OSNR以确定光信号的质量。这使得能够利用比先有已知技术改进的计算OSNR的方法。这是因为测量的最大和最小光功率值(P1和P0)包括与光信号相同的光频率上的光噪声功率，与计算OSNR的先有方法相反。
光电二极管的响应时间最好短于二十二个比特周期，这允许光信号抽样在一行中包括二十二个逻辑1。通常，如果一行中有超过二十二个逻辑1，光信号会被WDM系统加扰。所述或每个光电二极管的响应时间代表允许光电二极管测量光信号功率的时间间隔。在理论上，光电二极管应具有小于光信号的半个比特周期的数量级的响应时间。但是，这样的光电二极管要比响应时间在光信号的二分之一比特周期与光信号的二十二个比特周期之间的优选实际范围内的光电二极管昂贵得多。
在本发明的优选实施例中，所述或每个光电二极管的响应时间在光信号的二分之一比特周期与光信号的五个比特周期之间。这样的优选响应时间允许具有归零(RZ)数据格式的光信号的有效抽样。
在本发明的优选实施例中，在一个或多个节点中设置具有光输出的光放大器并且在放大器的光输出端设置光电二极管。
可设置滤光器以使得能够使用滤光器选择特定光信号。这样的滤光器允许测量具有多个光信号的WDM系统的选定信号(60)的功率。此滤光器对DWDM系统是特别有用的部件。滤光器的优选形式是薄膜滤光器。
本发明使得能够经由WDM系统的单个信道监测来自多个节点的光信号。这代表监测WDM系统的低成本方法。在WDM系统中有许多用于放大信号的中间节点时以及在发送节点与接收节点相隔甚远时尤其如此。
根据本发明的第二方面，提供一种包括带有光电二极管的节点的WDM电信系统，所述光电二极管的响应时间短于节点的光信号的二十二个比特周期，其中光电二极管具有测量部件以测量节点的光信号的最大和最小光功率，并且提供了计算部件以计算光信噪比。
现在将通过实例，参照附图来描述本发明，其中：
图1是结合根据本发明的光信号监测的WDM电信系统的示意图。
图2是说明对图1的电信网络中的一个信道的光信号的测量的示意图。
图3是在一系列的九个中间节点上测量的特定信号的OSNR的图解表示。
参照图1，示出WDM电信系统的示意图，总体标为10，结合了用于监测网络的选定传输信道中的光信号(60)的功率的设备(9)。电信系统10可使用密集WDM(DWDM)或粗略WDM(CWDM)或用于通过单个光纤同时传输多个波长(λ)的任何其它技术、如光码分复用(OCDM)来工作。DWDM是指例如波长间隔为200GHz、100GHz、50GHz或25GHz的传输，而CWDM是指例如波长间隔为2500GHz的传输。
光电信系统10包括发送节点12、接收节点14以及中间节点16。接收节点14与发送节点12相距160公里，中间节点16大约位于它们中间。发送节点12包括用于发送光信号的标为T1-Tn的一系列激光器18，复用器20和掺铒光纤放大器(EDFA)22。激光器的数量(n)对应于要发送到接收节点14的信道数量。来自激光器18的信号被输入复用器20，复用器20经由单个光纤24将宽带信号输出到EDFA 22。发送节点12的EDFA 22输出至中间节点16。中间节点16包括相应的EDFA26，用于放大来自发送节点12的宽带信号。中间节点16又输出至接收节点14。接收节点14包括相应的EDFA28、解复用器30和标为R1-Rn的一系列接收单元32。接收单元的数量(n)对应于要从发送节点12接收的信道数量(n)(前提是链路中间未发生不对称添加/丢失)。接收单元14的EDFA 28放大来自中间节点16的宽带信号并且输出至解复用器30。解复用器30又输出至接收单元32。
每个EDFA 22、26、28具有已知的光抽头34、36、38，通常从相关EDFA 22、26、28输出约1％到5％的光功率用于功率测量目的。EDFA22、28的光抽头34、38输出至已知类型的相应功率监测单元(PMU)40、42。PMU 40、42测量(n)个不同信道中每一个的平均功率，并且提供反馈以用于控制激光器18的功率，并且用于控制经由相应控制线44、46要求的接收器32的特性。EDFA 22、26、28的光抽头34、36、38中的每一个均配备相应的薄膜滤光器(TFF)48、50、52，把选定信道的部分光功率转移到相应的光电二极管54、56、58，用于根据本发明的光功率测量。应该理解，虽然示出TFF 48、50、52，但是可以使用其它基于解复用器的可调谐滤光器或光栅来执行与TFF 48、50、52相同的功能。TFF 48、50、52中的每一个按要求固定到特定信道以用于监测该信道的光信号。技术人员将知道为特定信道指定这种TFF 48、50、52的要求。
图2是说明对图1的电信网络中的一个信道的光信号60的测量的示意图。光信号60具有不归零(NRZ)数据格式。光信号60代表由特定TFF 48、50、52选择的信道，使得光信号监测可由特定光电二极管54、56、58执行。光电二极管54、56、58具有预定义响应，使得入射光功率产生给定光电流。因此，光电流的测量提供入射光功率的测量值。光电流可使用构成测量光功率的测量部件的电表来测量。光信号60是由系统10的激光器18之一发送的典型信号，并且包括一般地标为62的一系列比特。每个比特62具有比特周期tb，对于10Gb/s的光信号，它的持续时间为0.1ns。每个光电二极管54、56、58进行的光信号60的功率测量由图2中的线条64表示，它表示光电二极管54、56、58的响应时间tR。响应时间tR是光电二极管的属性并且取决于(除其它因素之外)光电二极管的材料的载流子寿命。在图2中，tR被表示为大约是光信号60的比特周期tb的三分之一。tR的适当时间长度对于10Gb/s光信号应当是大约10-30ps。
在图2中，可以看到，光信号60一行包括两个逻辑1和三个逻辑0。因此，如果光电二极管48、56、58的响应时间稍长于比特周期，则光信号的最大功率(P1)和最小功率(P0)测量仍可实现，即使较不频繁。可以对光信号抽样的光电二极管48、56、58的响应时间的限制是光信号60将在一行中有许多逻辑1和0的统计概率的函数。对此限制的一个警告是，在一行中出现超过二十二个逻辑1时，WDM系统则对信号加扰。应该理解，一行中二十二个逻辑1出现得相对较少并且测量光信号(60)的最大和最小功率(P1和P0)只是很少实现。功率测量的时间长度的合理折衷是短于光信号60的五个比特周期的最大响应时间。
虽然图2示出具有NRZ数据格式的光信号60，但是应该理解，本发明适合具有归零(RZ)数据格式的光信号，条件是tR相应地较短。这样的响应时间应短于半个比特周期。
光电二极管54、46、48通过记录信号60的高光功率(P1)和低光功率(P0)来测量光信号60的光信噪比(OSNR)。高光功率(P1)代表组合的光信号功率和光噪声功率，而低光功率(P0)代表光噪声的功率。随后计算比率(P1-P0)/P0，并且这是OSNR的量度。噪声光功率总是出现在给定信道中，因为EDFA 22、26、28中的噪声的衰减寿命远远长于比特周期tb。光噪声功率通常在几微秒内衰减，而对于10Gb/s信号，信号功率在一纳秒的几分之几内衰减。如果选择TFF 48、50、52来监测包括无信号的信道的特定波段部分，光电二极管54、56、58可用于监测该波段内的噪声功率。
在接收节点14距离发送节点12数千公里的情况下，可能有几十个均具有EDFA 26的中间节点16。在这种情况下，每个信道的光功率可在每个中间节点16测量，以提供监测光电信系统10的方法。图3是在一系列九个中间节点上测量的特定信号的OSNR的图形表示，示于66。OSNR沿y轴测量并且节点号N沿x轴测量。每个光电二极管测量的OSNR可发送至接收节点14，其中它可被绘制为曲线66。此类传输可以经由WDM系统的专用信道执行。从曲线66可以看到，在第4个中间节点16出现光性能下降，这可能是因为第4或第5个中间节点16故障或它们之间的传输线路故障。因此，可以派遣工程师修正该问题。
通过这种方式，可以见到，光电二极管54、56、58为监测电信系统10以及测量光功率和计算OSNR提供了简易方法。因此，在信号质量下降时可以发出告警。相对于PMU 40、42，光电二极管比较便宜并且因此实现起来成本低得多。在发送节点12与接收节点14距离甚远而需要许多中间节点16时尤其如此。
应该理解，根据本发明的光域中OSNR的计算与先有技术中已知的确定接收器32的电信噪比不同。

Claims (16)

1.用于在WDM电信网络的节点(12、14、16)处监测光信号(60)的光功率的设备(10)，其特征在于，提供光电二极管(54、56、58)以用于测量选定信道中的光信号(60)的光信噪比(OSNR)，所述光电二极管(54、56、58)具有短于光信号(60)的二十二个比特周期的响应时间，并且可用于测量光信号(60)的最大(P1)和最小(P0)光功率并从其中计算选定信道中的光信号与光噪声之比(OSNR)。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光电二极管具有在光信号(60)的二分之一比特周期与光信号(60)的二十二个比特周期之间的响应时间。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述光电二极管具有在光信号的二分之一比特周期与光信号(60)的五个比特周期之间的响应时间。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光电二极管(54、56、58)具有小于信号(60)的半个比特周期的响应时间。
5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述或每个节点(12、14、16)配备具有光输出的光放大器(22、24、26)，并且在所述放大器(22、24、26)的光输出处设置所述光电二极管。
6.如权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述光电二极管(54、56、58)具有滤光器(48、50、52)以允许测量所述WDM系统(10)的特定光信号(60)的功率。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述滤光器(48、50、52)是薄膜滤光器。
8.一种具有配备按照权利要求1至7中任一项的设备的一个或多个节点的WDM光通信网络。
9.一种配备按照权利要求1至7中任一项的设备的WDM光通信网络的节点。
10.一种在具有多个节点(12、14、16)的WDM光电信系统(10)中监测光信号(60)的方法，所述节点(12、14、16)中至少一个具有用于测量光信号(60)的光功率的测量部件，其特征在于以下步骤：
(a)提供具有光电二极管(54、56、58)的测量部件以用于测量相同传输信道中的光信号(60)的光功率和光噪声，所述光电二极管(54、56、58)具有短于光信号的二十二个比特周期的响应时间；
(b)测量光信号的最大光功率(P1)；
(c)测量所述相同信道中的光信号的最小光功率(P0)；以及
(d)使用最大(P1)和最小(P0)光功率值计算选定信道的光信噪比(OSNR)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光电二极管具有小于半个比特周期的响应时间。
12.如权利要求1 0或1 1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：为所述节点(12、14、16)配备具有光输出的光放大器(22、26、28)，其中所述光电二极管(54、56、58)设置在所述放大器的光输出处。
13.如权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(a)提供滤光器(48、50、52)；
(b)使用所述滤光器选择特定光信号(60)；测量所述特定光信号的最大和最小光功率；以及
(c)计算选定信道光信号的光信号与光噪声之比(OSNR)。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述滤光器(48、50、52)是薄膜滤光器。
15.如权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，在每个节点设置光电二极管，并且至少一个节点处的光信号(60)的光信噪比(OSNR)被远程测量并且与来自所述多个节点(12、14、16)中的所述节点(12、14、16)的光信号的光信噪比进行比较。
16.如权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：经由所述WDM系统的选定信道监测来自所述多个节点(12、14、16)的光信号(60)。
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