CN101958750B - 一种基于光参量放大器的全光信号质量监测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光参量放大器的全光信号质量监测器，可以用于光信号色度色散，光信噪比，偏振模色散的在线监测。该器件包括前置光放大器，半导体激光器、耦合器、光参量放大器、输出光滤波器、光功率计。半导体激光器发出低功率的连续探测光，连续探测光与被前置光放大器放大后的信号光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器，光参量放大器基于一阶四波混频效应导致能量由信号光转移到探测光和闲散光，参量放大器输出的探测光、闲散光经过输出光滤波器后被所述光功率计测量。本发明具有响应速度快，灵敏度高，工作波段宽，对信号速率和调制格式透明的优点，可以应用于单信道速率100Gb/s以上信号质量参数的在线监测。

Description

一种基于光参量放大器的全光信号质量监测器

技术领域

 本发明涉及全光网络和高速、大容量光网络的信号质量监测技术领域。

背景技术

近年来为了满足不断增长的带宽需求，光纤通信网络发展迅速。单信道40Gb/s的WDM系统已经实现商用，而100Gb/s以上WDM系统的部署也势在必行。传输速率的提升使得系统对信号传输质量有了更高的要求。色度色散，光信噪比和偏振模色散是衡量信号传输质量的三个关键指标参数。色度色散和偏振模色散（CD）会引起信号波形的失真，而光信噪比的降低意味着噪声功率比值的增加。为了实现对信号损伤的自适应补偿和光网络的自动管理，确保光传输网络长期稳定正常的工作，必须对上述三个光信号质量参数进行准确的在线监测。

目前已经提出了许多光信号质量在线监测方法。这些监测方法可以分为三大类：一大类是基于光信号的电域分析；第二大类基于插入探测信号的分析；第三大类是全光色散监测法；第一大类以电信号的处理为主，例如信号射频频谱分析法，异步直方图评估法，电色散均衡法等等。一般需要首先对信号进行需要光电转换，再进行时钟提取，射频频谱分析，或者高速模数转换，其系统较为复杂，对于信道速率40Gb/s以上的高速系统存在电子器件速率瓶颈限制的问题。第二大类是通过在信号发射端插入探测信号，如幅度或相位调制的副载波，或者幅度调制的宽带自发辐射波，或者一不同于信号波长的连续探测光，通过在接收端监测这些附加信号的变化，实现对光信号传输质量的监测。这类方法需要修改发射机的设计，因此与现有系统的兼容性较差。此外某些探测信号，如宽带自发辐射探测光的插入对光信号本身的传输也会造成影响。第三大类基于超快非线性效应，以全光信号分析处理为主，因此也称为全光信号质量监测技术。全光信号质量监测技术相对于前两类技术，具有结构简单，成本低，兼容性好，不影响信号传输，适应不同信号速率和调制格式的优点。目前提出的全光信号质量监测技术一般基于光纤中的自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM），级联四波混频（Cascaded FWM）效应，以及半导体光探测器中的双光子吸收效应（TPA）等等。这类非线性效应具有超快的响应时间，可以克服电子器件速率瓶颈的问题，仅需要低成本的低速光探测器和简单的信号处理就可以实现对高速光网络中信号质量参数的监测，大大降低了器件成本。但是目前的全光信号质量监测方法也存在一些缺陷，如基于半导体双光子吸收的对于光信号质量参数的变化不够敏感，输出信号对比度低；基于级联FWM效应的需要较高的信号功率或者较长的介质光纤，造成系统功耗和体积较大；基于SPM和XPM效应的则需要针对不同的信号速率调整输出光滤波器中心波长，因此对信号速率不透明。为解决以上问题需要开发一种灵敏度高，功耗低，体积小，对信号速率和调整格式透明的全光信号质量监测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种全光信号质量监测器。它除了具备一般全光信号质量监测器的优点，还具有灵敏度高，输出信号对比度大，对信号速率和调制格式完全透明，功耗低，体积小和工作波灵活的优点。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于光参量放大器的全光信号质量监测器，从主光路获得部分功率的信号光，包括前置光放大器、半导体激光器、耦合器光参量放大器、输出光滤波器、光功率计，其特征在于：被监测光信号经前置光放大器放大后作为光参量放大器的泵浦光，所述半导体激光器发出低功率的连续探测光，所述连续探测光与所述泵浦光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器，所述光参量放大器基于一阶四波混频效应，该效应导致能量由信号光转移到探测光和闲散光，这种转移随信号光脉冲瞬时能量增加（减少）呈现非线性的快速增加（减少），因而可以将色度色散，光信噪比和偏振模色散导致的信号脉冲功率分布的变化映射到参量放大器输出端闲散光和探测光平均功率之上，参量放大器输出的探测光、闲散光经过所述输出光滤波器后被所述光功率计测量，测量功率值的大小即对应于光信号色度色散，光信噪比和偏振模色散的大小。当色度色散，光噪声和偏振模色散导致信号波脉冲功率分布发生变化时，输出端探测光或闲散光的平均功率也会发生相应变化：具体来说当信号脉冲峰值功率较高时，参量放大器增益较高，输出的探测光和闲散光平均功率较高；当信号脉冲峰值功率较低时，参量放大器增益较低，输出的探测光和闲散光平均功率较低。由于这种变化在一定区域内保持单调性，测量所得的输出探测光或闲散光平均功率值大小即对应于光信号色度色散，光信噪比，偏振模色散的大小。因此通过采用低速的光探测器测量输出端探测光或闲散光的平均功率就可以对高速光信号质量进行在线监测。

由于光参量放大器输入光的功率与介质非线性系数的乘积影响光参量放大器相位匹配条件和增益特性，因此，提高光参量放大器泵浦光的功率可以减少相位失配，获得高非线性的增益特性。前置光放大器在放大中引入的新噪声则被事先标定，并用于修正光信噪比的测量结果，以消除其对光信噪比测量的影响。所述放大的信号光与所述连续探测光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器。在输入信号光功率较高时所述前置光放大器可以省略。

作为一种改进，所述的全光信号质量监测器还包括输入可调谐光滤波器，当输入信号光包括多个波分复用信道时，所述信号光首先进入所述输入可调谐光滤波器，所述输入可调谐光滤波器通过调节其中心波长使得不同波长的信道分别进入所述全光信号质量监测器。对应各种不同速率的输入信号，输出光滤波器中心波长始终对准探测光或闲散光中心波长，无需调整，因此色散监测系统满足对信号速率透明的要求。由于色散大小决定了信号波形的失真程度并造成信号射频频率成分的丢失，而丢失频率的高低与色散大小有关，因此通过改变所述输出光滤波器的带宽，可以改变所监测的频率范围，从而实现色散监测范围的调节。

为获得高非线性的传输函数，所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化相位匹配条件：

在所述光参量放大器介质波导等效长度                                               

小于或等于时，介质波导零色散点角频率

和输入信号光功率

分别满足条件

 和

。其中, 为线性相位失配大小，

分别所述连续探测光，闲散光和参量放大器泵浦光的传输常数，

为参量放大器泵浦光角频率，

介质波导非线性系数，

为介质波导的传输损耗，L为介质波导物理长度。

在所述光参量放大器介质波导等效长度

大于

时，介质波导零色散点角频率

和输入信号光功率

分别满足条件

 和

。

为扩展色散监测的工作带宽，即对一定波段

内所有信道的信号质量进行监测，必须保证在输入信号波波长变化时，OPA的传输特性不会由于相位失配变化而偏离高非线性函数形式。所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化探测光角频率：

对于四阶色散系数较小因而可以忽略的介质波导，探测光的角频率为

Hz，其中, 

为放大后信号光功率，

为介质波导的零色散点角频率,

为介质波导三阶色散系数,

为介质波导非线性系数。

对于四阶色散系数不能忽略的介质波导，探测光的角频率为Hz，其中

为介质波导四阶色散系数，所述放大后信号光功率应满足

。

对于具有两个零色散点的介质波导，探测光的角频率为

Hz，其中

和

为介质波导两个零色散点的角频率，所述放大后的信号光功率应满足，其中

为介质波导二阶色散系数。

所述光参量放大器基于Kerr介质波导中的FWM效应，其工作介质可以是高非线性介质，包括高非线性光纤、光子晶体光纤，三五族化合物波导或硅基波导。

基于上述特点，本发明具有响应速度快，灵敏度高，输出信号对比度大，对信号速率和调制格式透明，工作波段宽，功耗低和体积小的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明具体实施的全光信号质量监测系统结构示意图。

图2为光参量放大器输入端和输出端光信号在频率轴上的分布示意图。

图3为信号质量监测器输入端和输出端光信号在时间轴上的分布示意图。

图4为针对信号码型为NRZ码，光信噪比50dB，信号速率为40Gb/s的输入光信号仿真计算获得的输出光信号功率（单位为微瓦）随色散（单位为10ps/nm）的变化曲线图。

图5为针对信号码型为RZ码，光信噪比50dB，信号速率为40Gb/s的输入光信号仿真计算获得的输出光信号功率（单位为微瓦）随色散（单位为10ps/nm）的变化曲线图。

图6所示为针对信号速率为40Gb/s，信号码型为RZ码的输入光信号，色散为0，24，40ps/nm时仿真计算获得的单位为dBm的输出闲散光信号平均功率随光信噪比（单位为dB）的变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示的全光信号质量监测器包括：输入可调谐光滤波器TF，前置光放大器（Pre-amp）可以为掺铒光纤放大器EDFA，Pre-amp也可以为半导体光放大器SOA或其它光放大器，在所输入信号光功率较高时Pre-amp也可省略；提供连续探测光的半导体激光器LD，光参量放大器OPA，输出光滤波器Filter和光功率计。波分复用WDM光信号通过光耦合器Coupler后，大部分光功率沿原路传输，一小部分光功率进入虚线框所示的全光信号质量监测器。TF控制输入的WDM信道波长，通过调节TF中心波长可以使得WDM信道逐一进入信号质量监测系统，并逐一进行色度色散，光信噪比和偏振模色散的测量。Pre-amp对进入的信号光进行放大，放大后的信号光和LD输出的连续探测光由光耦合器Coupler（或波分复用器WDM）合波后进入OPA。根据上述规则选择具有合适色散特性的工作介质波导，放大后的信号光功率和探测光波长可以优化OPA的相位匹配条件，使得OPA获得高非线性的增益特性。这样色度色散，光信噪比和偏振模导致的信号光脉冲功率分布的变化将会以高非线性函数的形式传输并体现在探测光和闲散光的峰值功率和平均功率上。在OPA的输出端采用输出光滤波器Filter滤出探测光或闲散光，并采用光功率计测量探测光或闲散光的功率，并根据色度色散，光信噪比和偏振模与功率值间的对应关系即可以获得信号波色度色散，光信噪比和偏振模的大小。通过改变Filter的带宽可以实现色散监测范围的调节。

下面进一步描述本具体实施方式的信号光质量监测工作流程如下：

1)           Pre-amp，LD和PM启动并处于工作状态，外部控制系统控制TF中心波长，使得WDM系统信道n进入全光信号质量监测系统。

2)           信道n光信号经Pre-amp放大，作为OPA泵浦光和LD产生的连续探测光经由光耦合器合波后进入OPA。本实施方式中，光耦合器选用波分复用器。

3)           在OPA工作介质波导中泵浦光和探测光间发生FWM，泵浦光能量转移至探测光并产生新的闲散光。探测光和闲散光因此得到增益。OPA输出端探测光和闲散光平均功率由其获得的OPA增益大小决定。

4)           在OPA输出端，采用输出光滤波器Filter滤出探测光或闲散光。

5)           用光功率计测量探测光或闲散光平均功率值大小，即可根据对应关系测得信道n光信号的色度色散，光信噪比和偏振模色散大小。

6)           外部控制系统控制TF中心波长，使得下一个WDM系统信道进入色散监控系统。重复上述过程测量每个信道色散大小，直至所有信道色散测量完毕。

如图2所示，输入端2-(a)为经过前置光放大器放大的信号光和连续探测光，输出端2-(b)为光参量放大器OPA输出端得到的探测光，和OPA内部FWM产生的新频率的闲散光。

由图3可以看到由于OPA具有高非线性增益特性，平均功率相同而峰值功率不同的信号光所对应的输出端探测光、闲散光的平均功率是不同的，其中3-(a)和3-(c)分别为不同色度色散，光信噪比和偏振模色散条件下信号光的波形，其平均功率相同而峰值功率不同。3-(b)和3-(d)分别为OPA输出端探测光、闲散光的波形，不仅其峰值功率发生改变，其平均功率也不相同。探测光、闲散光的波形下方灰色区域面积代表平均功率大小。

如图4、图5所示为针对信号速率为40Gb/s，光信噪比为50dB，信号码型为分别为NRZ码、RZ码的输入信号光，仿真计算获得的单位为微瓦的输出闲散光信号平均功率随色散（单位为10ps/nm）的变化曲线。在色度色散小于40ps/nm的色散区域内这种变化呈现单调递增或递减趋势。因此，仅仅采用光功率计测量输出端探测光或闲散光信号功率就可以测得输入信号色度色散的大小。

图6所示为针对信号速率为40Gb/s，信号码型为RZ码的输入光信号，色散为0，24，40ps/nm时，仿真计算获得的单位为dBm的输出闲散光信号平均功率随光信噪比（单位为dB）的变化曲线。在光信噪比大于0dB的区域内这种变化呈现单调递增趋势。因此，仅仅采用光功率计测量输出端探测光和闲散光信号功率就可以测得输入信号光信噪比的大小。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于光参量放大器的全光信号质量监测器，从主光路获得部分功率的信号光，包括前置光放大器、半导体激光器、耦合器、光参量放大器、输出光滤波器、光功率计，其特征在于，所述信号光经所述前置光放大器放大后作为光参量放大器的泵浦光，所述半导体激光器发出低功率的连续探测光与所述泵浦光经所述耦合器合波后注入所述光参量放大器，所述光参量放大器基于一阶四波混频效应使能量由信号光转移到探测光和闲散光，光参量放大器输出的探测光、闲散光经过所述输出光滤波器后被所述光功率计测量，测量功率值的大小即对应于光信号色度色散，光信噪比和偏振模色散的大小；

所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化相位匹配条件：

在所述光参量放大器介质波导等效长度L_eff=[1-exp(-αL)]/α小于或等于2π/|Δβ|时，介质波导零色散点角频率ω₀和放大后信号光功率P₀分别满足条件ω_pump≤ω₀和P₀≥-Δβ/4γ；其中,Δβ=β_probe+β_idler-2β_pump为线性相位失配大小，β_probe，β_idler，β_pump分别为所述连续探测光，闲散光和光参量放大器泵浦光在介质波导中的传输常数，ω_pump为光参量放大器泵浦光角频率，γ介质波导非线性系数，α为介质波导的传输损耗，L为介质波导物理长度；

在所述光参量放大器介质波导等效长度L_eff=[1-exp(-αL)]/α大于2π/|Δβ|时，介质波导零色散点角频率ω₀和放大后信号光功率P₀分别满足条件ω_pump≤ω₀和 $P_0\≥\frac{{\mathrm{\π}}^2}{L^2\mathrm{\Δ\β\γ}}-\frac{\mathrm{\Δ\β}}{4\mathrm{\γ}}.$

2.根据权利要求1所述的基于光参量放大器的全光信号质量监测器，其特征在于，所述信号光包括多个波分复用信道时，还包括输入可调谐光滤波器，所述信号光首先进入所述输入可调谐光滤波器，所述输入可调谐光滤波器通过调节其中心波长使得不同信道的信号光分别进入所述全光信号质量监测器。

3.根据权利要求2所述的基于光参量放大器的全光信号质量监测器，其特征在于，为使得监测器的工作波段，即允许的输出信号波长范围达到最大，所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化探测光角频率：

对于四阶色散系数较小因而可以忽略的介质波导，所述光参量放大器的探测光角频率为ω₀-3(γP₀/β₃)^1/3Hz，其中，P₀为放大后信号光功率，ω₀为介质波导的零色散点角频率,β₃为介质波导三阶色散系数,γ为介质波导非线性系数。

4.根据权利要求2所述的基于光参量放大器的全光信号质量监测器，其特征在于，为使得监测器的工作波段，即允许的输出信号波长范围达到最大，所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化探测光角频率：

对于四阶色散系数不能忽略的介质波导，所述光参量放大器的探测光角频率为ω₀-β₃/β₄Hz时，监测器的工作波段，即允许的输出信号波长范围达到最大，其中β₄为介质波导四阶色散系数，所述放大后信号光功率应满足 $P_0\≥3{\mathrm{\β}}_3^4/\left(112{\mathrm{\β}}_4^3\mathrm{\γ}\right).$

5.根据权利要求2所述的基于光参量放大器的全光信号质量监测器，其特征在于，为使得监测器的工作波段，即允许的输出信号波长范围达到最大，所述光参量放大器满足如下特殊的规则优化探测光角频率：

对于具有两个零色散点的介质波导，探测光的角频率为(ω₀₁+ω₀₂)/2Hz，其中ω₀₁和ω₀₂为介质波导两个零色散点的角频率，所述放大后的信号光功率应满足其中β₂为介质波导二阶色散系数，β₄为介质波导四阶色散系数。

6.根据权利要求1至5之一所述的基于光参量放大器的全光信号质量监测器，其特征在于，所述光参量放大器基于Kerr介质波导中的四波混频效应，其工作介质是高非线性介质，包括高非线性光纤、光子晶体光纤、三五族化合物波导或硅基波导。

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