CN102474354B - 使用差分偏振响应的带内光噪声测量 - Google Patents
使用差分偏振响应的带内光噪声测量 Download PDFInfo
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Abstract
一种方法，包括：对于输入光信号的nSOP个不同的偏振态分析条件，获取nSOP个偏振分析光谱迹，所述SOP分析条件的分布近似已知；使用所述偏振分析光谱迹在光信号带宽之内数学地区分信号贡献与噪声贡献，所述数学地区分包括：获得一个差分偏振响应，其通过一个比例常数与所述信号贡献的光谱相关；作为数量nSOP的函数，估计差分偏振响应对所述信号贡献的光谱的所述比例常数；使用所述比例常数和所述差分偏振响应，在所述光信号带宽之内估计所述输入光信号中的所述噪声贡献的光谱；以及由数学地区分的噪声贡献，对所述输入光信号确定所述带内噪声参数。
Description
相关申请的相互引用
本申请要求于2009年8月19日提交的美国临时专利申请61/235,169的优先权，其说明书以参引方式纳入于此。
技术领域
本发明涉及光学电信应用中的带内噪声的确定。更具体地，本发明涉及密集波分复用(DWDM)光学网络中的带内噪声的确定。
背景技术
光学信噪比(OSNR)是对由光学电信网络所传送的信号的品质的一种直接度量。在正常的和适当的操作条件下，光通信链路的OSNR通常高，常常超过15dB或20dB，甚至更大。光通信链路中的噪声的主导分量通常是非偏振的放大自发辐射(ASE)，其是由该链路中的光放大器贡献的宽带噪声源。一般，如果在该信号的附近没有谱滤波，就可以认为ASE在跨越全信号谱宽度的小波长范围上是谱平坦的。
IEC 61280-2-9光纤通信子系统测试程序-第2-9部标准(版本1.0b：2002)提供了一种用于确定密集波分复用(DWDM)网络中的OSNR的标准方法。该方法基于如下假定：信道间噪声电平(interchannelnoise level)代表了信号峰位置处的噪声电平。该方法对信号带宽之外的噪声的功率电平进行插值，以评估该信号带宽之内的带内噪声(in-band noise)。增大的调制速率增大了信号带宽，且增大了信道密度，减小了信道间宽度；从而导致对用于执行该测量的光谱分析器的严格的谱特性要求。当相邻峰的噪声电平大部分连续时，所述标准中描述的程序能够应付这些困难。例如，所述标准提出了双扫描流程：首先用一个较大的分辨率带宽来测量一个宽调制峰，以捕获整个信号峰；然后使用一个窄的分辨率带宽来确定该噪声，以最小化主峰和相邻峰对信道间噪声电平的贡献。替代地，商业光谱分析器(OSA)(诸如EXFO的FTB-5240，在其2007年前可得到的版本中)通过在单扫描中执行积分峰值计算和精细噪声确定实现了一个相关的程序。
然而，为了严格符合标准建议，噪声电平应在峰之间的信道中部间隔(mid-channel spacing)处被确定。例如，在用单峰对噪声进行谱滤波的情况下，在经过多个复用器或解复用器——诸如可重构的光分插复用器(ROADM)——之后，中部间隔(mid-spacing)噪声电平不再代表带内噪声电平，而带内噪声电平是用于OSNR确定的相关参数。于是，信道间噪声电平的插值变得不可靠。这可以通过如下方式来减轻：依赖于OSA滤波器的非常陡的谱响应以及自适应处理来确定在信道带宽之内噪声与信号曲线(signal profile)的底部相遇处的台肩(shoulders)处的噪声电平。然而，增加的调制率，连同复用器和解复用器的窄滤波，使得越来越难于在信道带宽之内实现对噪声电平的可靠测量。
主动消偏振(active polarization-nulling)(见J.H.Lee等人，“OSNR Monitoring Technique using Polarization-Nulling Method”，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.13，No.1，January 2001)提供了对光谱直接分析的一种替代方法。此方法利用了如下事实：信号峰总体上是偏振的，而噪声总体上是非偏振的。使用与偏振器级联的偏振控制器(所述偏振器用作分析器)，有可能主动地控制输入信号的偏振，以找到使得信号峰被偏振器最大地抑制的条件。光谱迹(optical spectrum trace)在信号峰被抑制时被获取，并且显示了光信道带宽之内的带内噪声。使用所获取的光谱迹，可以确定光信道带宽之内的噪声电平。
在如下文献中描述了主动消偏振方法的变体：Wein等人的美国专利7,106,443；等人的“PMD-intensitive DOP-based OSNRmonitoring by spectral SOP measurements”，Paper OThH3，OpticalFiber Communications Conference，Anaheim，USA，March 2005；以及，Rudolph等人的美国专利7,756,369。
主动消偏振方法及其变体都要求偏振信号峰被抑制在零或非常接近于零。在实践中，这要求该信号峰的消光度(degree of extinction)比待测量的最高可能的OSNR大至少10dB。例如，为了以0.5dB的精确度测量25dB的OSNR，就要求38dB的消光。这一高消光度对仪器本底噪声(instrumental noise floor)施加了约束，而仪器本底噪声一般常常受到电子器件、偏振分集光学器件品质等等的限制，为了令人满意地克服这些约束，就要求增加仪器的固有成本。尽管有前述仪器约束，但达到这样的高消光比还要求偏振态(SOP)在庞加莱球上的优秀覆盖(即，产生非常大量的SOP)，或使用全“高端”(full“highend”)的(即，非常精确地校准的)因此高成本的偏振测定的(polarimetric)OSA。
在Gariépy等人的由本申请人共有的国际专利申请公开文本WO2008/122123A1中，描述了对插值方法和主动消偏振方法的替代方法。由Gariépy等人描述的一方面在上述文本中被称为被动偏振感应区分(Passive Polarization-Induced Discrimination)(PPID)方法。PPID方法包括，用光谱分析器装置对光谱进行偏振分集检测(polarization-diverse detection)，其中两个光谱迹是在不同的且通常是正交的偏振分析条件下获取的。然而，不同于主动消偏振方法(其中可以测量的极限OSNR近似相应于在正交偏振分析条件下取得的谱迹之间的最大测量差)，用PPID方法可以测量的极限OSNR可以显著大于这一最大测量差。换言之，PPID方法完全不要求偏振信号被抑制或接近于测量仪器的本底电噪声。这使得对被测信号偏振控制、OSA分量品质(例如，偏振消光比)的要求显著不那么严格，且与主动消偏振方法相比可以显著减少测量时间。
注意到，在如Gariépy等人描述的PPID方法的一个实施方案中，对光信号的带内噪声电平的估计是基于对信号峰边缘处噪声电平的评估而做出的。使用迭代计算，可以在接近于信号峰的波长处带内估计噪声电平迹，但随着信号分量在信号峰附近增加，所估计噪声电平的误差也增加。
然而，注意到，在大多数光滤波长距离(long-haul)光纤网络中，限制性噪声源是信号-ASE差拍噪声(signal-ASE beat noise)，其中信号和ASE在电检测带宽之内的基带频率处干涉。在采用光学放大器的典型光通信系统中，信号-ASE差拍噪声是对于光学性能的限制性噪声项，且可以与光通信信道的误码率(BER)直接相关。因此，对带内OSNR的估计提供了系统性能的指示性(indicative)度量。然而，当前正在开发和部署新的系统，所述新的系统利用了多比特每符码(multi-bit-per-symbol)先进调制格式，以用27G波特及更高的符码率来传输多于100Gbit/s。不仅已调制信号的关联光谱比先前的(通常是开关键控的)10Gb/s系统宽得多，而且谱轮廓(spectral profiles)常常更加复杂，且在中心不一定是“尖峰的(sharply peaked)”。因此，精确的信号-ASE差拍噪声估计可以要求对“叠加(superposed)”(或“下层(underlying)”，其是不那么严格但却广泛采用的术语)光噪声谱迹与信号谱迹进行卷积。在紧滤波的(tightly filtered)的系统中，这一下层噪声自身常常在滤波器边缘附近在信道带宽的显著部分上被滤波。据此，假定平坦的光噪声谱迹，则不能基于对下层带内噪声的估计来可靠地确定这样的系统的OSNR。
因此需要可靠地确定光信号峰下层的光噪声谱迹。尤其需要可应用在DWDM网络的情况下(其中个体信道可以携带各自的已经过了不同光学链路从而具有不同下层噪声属性的信号)的方法。
发明内容
提供了用于确定密集波分复用(DWDM)输入光信号的噪声参数(诸如带内噪声或光学信噪比(OSNR))的系统和方法，所述输入光信号在光信号带宽之内具有信号贡献和噪声贡献N(λ)。该方法使用差分偏振响应(D-Pol)方法来估计光信号下层的噪声。
所提供的系统和方法对于确定灵敏多信道密集波分复用(DWDM)光学系统中的带内噪声的谱迹(从而确定OSNR)尤其有价值。在这样的灵敏系统中，可以在沿着光学网络的任何地方添加或丢弃光信道，无论是在光学放大之后还是在光学放大之前。添加和丢弃一般是使用光分插复用器(OADM)执行的，所述光分插复用器不仅对相应于光信道的信号进行滤波，还对噪声进行滤波。所述光噪声是用有用信号峰滤波的，且接下来被谱限制到所述光信道的信道带宽或谱邻域(spectral neighborhood)，并且在各个DWDM信道之间有所不同。因此，信道内噪声不能总体上代表光信道的带内噪声。
对于当前正在开发和部署的且利用多比特每符码先进调制格式来用27G波特(Baud)及更高的符码率传输多于100Gbit/s的系统而言，所提供的系统和方法也尤其有价值。在这些系统中，不仅调制信号的关联光谱比先前的开关键控10Gb/s系统宽得多，而且谱轮廓常常更为复杂，且在中心处不一定是“尖峰”。因此，精确的信号-ASE差拍噪声估计可能要求将下层光噪声谱迹与信号谱迹进行卷积。在紧滤波的(tightly filtered)系统中，该下层噪声自身常常在滤波器边缘附近在信道带宽的显著部分上被滤波。从而，假定平坦的光噪声谱迹，则不能基于对下层带内噪声的估计来可靠地确定这样的系统的OSNR。此外，对于噪声谱迹的扰动，尤其是由来自间隔紧密的信道的串扰(crosstalk)造成的扰动，可能导致这样的估计预测出更不可靠的OSNR确定。
所提供的系统和方法基于的是对与射到(偏振)分析器上的光输入信号的不同的偏振态(SOP)相应的多个测量值的分析，所述多个测量值包括被偏振分析的输入光信号的光谱迹(其可被称为偏振分析光谱迹)。所述系统和方法采用了从头开始的(ab initio)统计方法来得出参数κ的近似值，参数κ指示了信号贡献S(λ)在所述偏振分析测量值中的比例。如果SOP分析条件的分布的特征是已知的，则κ的近似值可以被确定为在多种SOP下做出的测量值的数量(nSOP)的函数。无需对信号宽度之内的噪声贡献N(λ)的下层形状做出假定。一旦κ的值已经确定，则可以直接构造信号峰下层的噪声分布N(λ)的完整谱迹。
根据一方面，提供了一种用于对输入光信号(P(λ))确定带内噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献(S(λ))以及噪声贡献(N(λ))，所述信号贡献是至少部分偏振的，且所述噪声贡献是大部分(mostly)非偏振的，所述方法包括：对于输入光信号(P(λ))的nSOP个不同的偏振态(SOP)分析条件，获取nSOP个偏振分析光谱迹(Pa(λ))，所述SOP分析条件的分布近似已知；使用所述偏振分析光谱迹(Pa(λ))，在所述光信号带宽之内数学地区分所述信号贡献与所述噪声贡献，所述数学地区分包括：获得一个差分偏振响应(S′(λ))，该差分偏振响应通过一个比例常数与所述信号贡献(S(λ))的光谱相关；作为数量nSOP的函数，估计差分偏振响应(S′(λ))对所述信号贡献(S(λ))的光谱的所述比例常数；使用所述比例常数和所述差分偏振响应(S′(λ))，在所述光信号带宽之内，从所述输入光信号(P(λ))估计所述噪声贡献(N(λ))的光谱；以及从所述数学地区分的噪声贡献，对所述输入光信号确定所述带内噪声参数。
根据一方面，提供了一种用于对输入光信号确定带内噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献以及噪声贡献，所述方法包括：获取nSOP对互相正交的光谱，其相应于所述nSOP个偏振态(SOP)分析条件，所述偏振态分析条件相对于所述输入光信号而言是任意的；通过如下方式使用所述互相正交的光谱在所述光信号带宽之内数学地区分所述信号贡献与所述噪声贡献：定义一个差分偏振响应，其通过一个比例常数与所述光信号带宽之内的信号贡献的光谱相关；作为所述SOP分析条件的数量nSOP的函数，估计所述差分偏振响应对所述信号贡献的光谱的所述比例常数；以及使用所述比例常数，估计所述噪声贡献在所述光信号带宽之内的光谱；以及从所区分的噪声贡献，对所述输入光信号确定所述带内噪声参数。
根据一方面，提供了一种用于对输入光信号确定带内噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献以及噪声贡献，所述信号贡献是至少部分偏振的，且所述噪声贡献是大部分非偏振的，所述方法包括：(1)获取nSOP对互相正交的光谱(P＞(λ)，P＜(λ))，其相应于所述nSOP个偏振态(SOP)分析条件，所述偏振态分析条件相对于所述输入光信号而言是任意的，每一对互相正交的光谱都相应于互相正交的SOP分析条件；(2)使用所述互相正交的光谱(P＞(λ)，P＜(λ))，在所述光信号带宽之内数学地区分所述信号贡献与所述噪声贡献，所述数学地区分包括：定义一个差分偏振响应(S′(λ))，其通过一个比例常数与所述光信号带宽之内的所述信号贡献(S(λ))的光谱相关；作为所述SOP分析条件的数量nSOP的函数，估计所述差分偏振响应(S′(λ))对所述信号贡献(S(λ))的光谱的所述比例常数；以及使用所述比例常数和所述差分偏振响应(S′(λ))，估计所述噪声贡献(N(λ))的在所述光信号带宽之内的光谱；以及(3)从所区分的噪声贡献，对所述输入光信号确定所述带内噪声参数。
根据另一方面，提供了一种用于对输入光信号确定带内噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献以及噪声贡献，所述信号贡献是至少部分偏振的，且所述噪声贡献是大部分非偏振的，所述方法包括：(1)获取至少一对光谱迹，其包括所述输入光信号的互相正交的光谱(P＞(λ)和P＜(λ))，所述互相正交的光谱相应于互相正交的偏振态(SOP)分析条件，所述偏振态分析条件相对于所述输入光信号而言是任意的；(2)使用所述互相正交的光谱(P＞(λ)，P＜(λ))，在所述光信号带宽之内数学地区分所述信号贡献与所述噪声贡献，所述数学地区分包括：定义一个差分偏振响应(S′(λ))，其通过一个比例常数与所述光信号带宽之内的信号贡献(S(λ))的光谱相关；作为所累积的光谱迹对的数量nSOP的函数，估计所述差分偏振响应(S′(λ))对所述信号贡献(S(λ))的光谱的所述比例常数；以及使用所述比例常数和所述差分偏振响应(S′(λ))，估计所述噪声贡献(N(λ))在所述光信号带宽之内的光谱；(3)从所区分的噪声贡献，对所述输入光信号确定所述带内噪声参数；以及(4)多次执行所述获取步骤和所述数学地区分步骤，以使用不同的SOP分析条件来累积所累积的光谱迹对，并且使用所累积的光谱迹对来精制(refine)所估计的所述噪声贡献的光谱。
根据一方面，提供了一种用于确定表征输入光信号的噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献以及噪声贡献，所述信号贡献和所述噪声贡献具有彼此不同的偏振度和彼此不同的偏振态中的至少一个，所述方法包括：i.分别使用第一偏振分析条件和第二偏振分析条件，在所述光信号带宽之内相应于所述输入光信号的第一光谱迹(P＞(λ))和第二光谱迹(P＜(λ))的获取波长(acquisition wavelengths)处获取光谱数据，在所述光信号带宽的大部分上，所述第一迹比所述第二迹相应于更大的光功率，所述第一偏振分析条件和所述第二偏振分析条件基本互相正交，所述第一偏振分析条件相对于所述输入光信号的偏振态(SOP)而言是任意的，所述第一光谱迹与所述第二光谱迹之和(Psum(λ))等于总的所述输入光信号的光谱；ii.由此，对于多个所述获取波长，计算所述第一光谱迹(P＞(λ))的归一化比(normalized ratio)；iii.将步骤(i)和(ii)执行至少nSOP次，包括所述输入光信号的nSOP个不同的SOP，且对于所述步骤每次执行的每个获取波长，保留在所有在前的所述归一化比之中的极值(max；min)，如此获得的这组极值代表了对于至少nSOP个所述第一光谱迹之中的每个获取波长的极值归一化比；iv.使用这组极值，在所述光信号带宽之内，数学地区分所述载有数据的信号贡献与所述噪声贡献；以及v.从所区分的所述噪声贡献，对所述输入光信号确定带内噪声电平估计。
根据一方面，提供了一种用于确定表征输入光信号的噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献以及噪声贡献，所述信号贡献和所述噪声贡献具有彼此不同的偏振度和彼此不同的偏振态中的至少一个，所述方法包括：i.分别使用第一偏振分析条件和第二偏振分析条件，获取所述输入光信号的第一光谱迹和第二光谱迹，所述第一偏振分析条件和所述第二偏振分析条件互相正交，且都相对于所述输入光信号而言是任意的，所述光谱迹表现出不同的信噪比；ii.使用所述光谱迹，在所述光信号带宽之内，数学地区分所述信号贡献与所述噪声贡献；以及iii.从所区分的噪声贡献，对所述输入光信号确定带内噪声电平。
在本说明书中，引述了差分偏振(D-Pol)响应方法。应理解，此方法可以相应于Gariépy等人在WO 2008/122123A1中描述的被动偏振所致区分(Passive Polarization-Induced Discrimination)(PPID)方法，且这两种命名法指的是同一技术。
在本说明书中，术语“迹(trace)”不应被限制性地理解为图形化显示的数据，而是意在涵盖没有图形化显示但仍然用于任何适当目的的数据。
附图说明
图1是例示了示例性输入光信号的光谱以及其噪声贡献和信号贡献的光谱的图；
图2是示出了用于使用差分偏振响应(D-Pol)方法对输入光信号确定噪声参数的系统的主要部件的方框图；
图3是例示了用于使用D-Pol方法对输入光信号确定噪声参数的方法的流程图；
图4是示出了一个已测量的光谱P(λ)的图，该光谱相应于用多个可重构的光分插复用器(ROADM)滤波的10Gbit/s输入光信号，以及使用D-Pol方法得到的该输入光信号的载有数据的信号贡献S(λ)和噪声贡献N(λ)的起初未知的光谱以及噪声贡献N(λ)的估计；
图5是示出了一个已测量的光谱P(λ)的图，该光谱相应于用多个可重构的光分插复用器(ROADM)滤波的40Gbit/s输入光信号，以及使用D-Pol方法和I-D-Pol方法得到的该输入光信号的载有数据的信号贡献S(λ)和噪声贡献N(λ)的起初未知的光谱以及噪声贡献N(λ)的估计；
图6是例示了用于使用I-D-Pol方法对输入光信号确定噪声参数的方法的流程图；
图7是示出了为了使用I-D-Pol方法得到0.3dB、0.5dB和1dB的标准偏差，在测量不同SOP的数量nSOP方面以及在光学信噪比(OSNR)方面的要求的图；
图8是示出了对于主动消偏振(PN)方法和I-D-Pol方法二者，相应于20dB和25dB的OSNR值，OSNR偏差绝对值随着不同SOP数量nSOP而变化的图；
图9是例示了用于例证图6的方法的性能的受控测试机构的方框图；且
图10是示出了在由图9的机构的校正调节的OSNR和由图6的I-D-Pol方法估计的OSNR(如从数量nSOP为500的乱序SOP中评估的)之间的偏差的图。
图11A、11B和11C示出了不需要偏振分集OSA的用于获取光谱数据的三个替代装置。
应注意，在所有附图中，相似的特征用相似的附图标记来标示。
具体实施方式
现在参见图1，本文描述的方法和系统涉及对在通过密集波分复用(DWDM)光信道传输数据的光学电信(telecommunications)中使用的光信号p的表征。在本说明书全文中，光信号p相应于所述DWDM光信道中的一个。在感兴趣的光信道带宽中，光信号p包括两个分量，即：信号贡献s，其源自载有数据的信号；以及噪声贡献n，其包括该光信道之内的所有其他光功率源。噪声贡献n主要源自光传输系统中的光放大器的放大自发辐射(ASE)噪声。图1示出了一个示例性光信号p的光谱p(λ)，以及其信号贡献s(λ)的光谱和其噪声贡献n(λ)的光谱，以使得：
p(λ)＝s(λ)+n(λ)， (1)
且
p＝∫CBW p(λ)，
s＝∫CBW s(λ)，
n＝∫CBW n(λ)，
并且其中CBW是感兴趣的信道带宽。
光信号p的光谱迹可以通过光谱分析器(OSA)获得，且表示了输入光信号p与OSA的滤波器谱响应hOSA(λ)结合任何想要的卷积窗口hW(λ)而得到的卷积。因此，光谱迹P(λ)是光信号p的谱解析光功率(spectrally-resolved optical power)。在相应于信道带宽CBW的带宽中，光谱迹P(λ)也包括信号贡献S(λ)和噪声贡献N(λ)，信号贡献S(λ)和噪声贡献N(λ)融合到一起并且表现为光谱迹P(λ)。
本文描述的方法和系统被用于在光谱迹P(λ)中将信号贡献S(λ)与噪声贡献N(λ)区分开，以对要表征的输入光信号确定带内噪声。与该检测系统自身关联的仪器噪声(即OSA)被认为，与要表征的光噪声贡献相比，对所获得的光谱迹P(λ)具有可忽略的作用。
图1示出了在相应的光信道之内的单个光信号p，但应注意，根据波分复用，多个光信道共享该光谱，每个信道用于传输一个光信号(未示出)。然而应牢记，该光谱中，在光信号p的两侧，通常存在其他光信号。
一个DWDM光信道被定义为一个谱带宽，即信道带宽，其被分配用于在WDM传输方案中传输光信号。该信号带宽更确切地说是信号峰的实际宽度，即，其上信号贡献不可忽略的带宽。信道带宽可以大于信号带宽或与信号带宽等大(或者甚至窄于信号带宽)，这取决于DWDM信道的密度以及对于给定传输方案的信号传输率。
本文公开的方法依赖于如下事实：光信道内的信号贡献和噪声贡献的偏振性质是不同的。信号贡献s基本上是偏振的，而噪声贡献n是大部分非偏振的。这种质上的差异被用来在所获得的光谱迹P(λ)中将信号贡献S(λ)与噪声贡献N(λ)区分开。
在Gariépy等人与本申请人共有的WO 2008/122123A1中描述了使用差分偏振响应(D-Pol)方法在DWDM光学系统中确定输入光信号p的带内噪声或OSNR的第一种方法。将首先简述此方法。注意，为了和下面的说明一致，在本说明书中采用的术语和参数与Gariépy等人所采用的略有不同，但两者在概念上是相同的。特别地，Gariépy等人的PPID方法在此被称为D-Pol。
接下来描述第二种方法，它也是D-Pol方法，但是在此被视为对第一种方法的改进，它被称为改进的D-Pol(I-D-Pol)方法。
令p(λ)是输入光信号p的光谱，包括信号贡献s(λ)和噪声贡献n(λ)。所述D-Pol方法和所述I-D-Pol方法都利用了要分析的输入光信号中的信号贡献s(λ)和噪声贡献n(λ)之间的差别性质(differentialproperties)。信号贡献s(λ)和噪声贡献n(λ)具有不同的偏振性质，在于：信号通常是偏振的，或者至少部分偏振的，而噪声通常是非偏振的，或者大部分非偏振的。换言之，信号贡献和噪声贡献具有彼此不同的偏振度。对于下面的说明，将假定这一最后条件。
图2例示了适于执行下文描述的D-Pol方法和I-D-Pol方法的系统10的主要组件。
系统10接收要表征的输入光信号p。该系统包括偏振控制器，在此情况下是偏振置乱器(polarization scrambler)12，其后放置有偏振束分离器(polarization beam splitter)14、双信道光谱分析器(OSA)16、谱处理器18和噪声计算器20。
偏振置乱器12通常由控制单元(未示出)控制，该控制单元指挥在样本pA和样本pB的获取之间的偏振态分析条件的变化。
由于信号贡献s和噪声贡献n的偏振性质不同，所以将偏振束分离器14插在输入光信号p的光路中对噪声贡献与对信号贡献的作用不同。偏振束分离器14被用于获得输入光信号p的两个正交分析样本pA和pB。
OSA 16同时获得两个样本pA和pB分别的两个偏振分析光谱迹(Pa(λ))，PA(λ)和PB(λ)。由于这两个样本pA和pB之间的正交偏振分析条件，所获得的迹PA(λ)和PB(λ)是不同的。一种特殊情况是，该OSNR在所获得的迹之一上是零(null)，即该信号被完全抑制，但应强调，下文描述的D-Pol方法和I-D-Pol方法都不需要这种条件。
应注意，偏振束分离器14和双信道OSA 16的组合构成了偏振分集(polarization diversity)OSA 22(见，例如，在共同拥有的美国专利No.6,636,306中描述的以及作为EXFO的FTB-5240市售的偏振分集OSA)。
谱处理器18接收这两个迹PA(λ)和PB(λ)，并且区分噪声贡献和信号贡献。如下文将描述，所述区分可以通过如下方式来执行：将一个迹从另一个迹中减去，以移除噪声贡献，并且提供一个差分偏振响应，该差分偏振响应通过一个比例常数与信号贡献S(λ)的光谱相关。通过估计这个比例常数，可以估计信号贡献S(λ)的光谱，从而估计噪声贡献N(λ)的光谱。因此，难点在于估计这个比例常数。应注意，在应用本文提出的处理之前，可以对原始迹PA(λ)和PB(λ)应用线性处理(诸如滤波、线性变换到另一个域等等)。
噪声计算器20根据区分开的光学噪声n(λ)估计带内噪声。然后使用区分开的噪声N(λ)和信号S(λ)，可以估计OSNR或任何其他带内噪声参数。
注意，图2中描述的系统仅仅作为一个实施例给出了用于应用本文描述的D-Pol和I-D-Pol方法的适当的系统，且所描述的组件或组件的组合可替换为执行应用所述D-Pol方法所需的功能的任何其他组件或组件的组合。
差分偏振响应(D-Pol)方法
现在将更详细地描述现有技术的D-Pol方法，以更好地理解和认识本发明提供的基于I-D-Pol方法的创造性改进。
图3例示了用于对输入光信号确定噪声参数的D-Pol方法。在步骤302中，两个样本pA和pB是使用互相正交的偏振态分析条件从输入光信号p产生的。例如，可以通过偏振束分离器14(见图2)来产生这两个偏振分析条件，从而产生这两个样本pA和pB。注意，这两个偏振态分析条件，相对于对输入光信号p的信号贡献的偏振而言，可以是完全任意的。在步骤304中，通常使用OSA 16(见图2)来取得这两个样本pA和pB各自的互相正交的一对光谱PA(λ)和PB(λ)。注意，通常在这两个样本pA和pB之间分离信号贡献以及噪声贡献。在步骤306中，噪声N和信号S的贡献是使用所获取的迹PA(λ)和PB(λ)来区分的，例如通过谱处理器18(见图2)。下文将更详细地描述此步骤的实施方案。在步骤308中，带内噪声电平N(λ)是从N确定的。此步骤，例如，是通过带内噪声计算器20(见图2)执行的。在步骤310中，噪声参数(即带内噪声、OSNR、BER、电信噪比等等)是使用带内噪声电平N(λ)来确定的，且通常被输出。由此确定的噪声参数被输出以用于，例如，DWDM光学系统的监测、维护或纠错。例如，所述噪声参数可以通过如下方式输出：通过图形显示、通过印刷、通过产生电信号，或通过将其存储在存储器中供以后取出。也可以使用显示单元或打印机图形地或数值地输出带内噪声或OSNR，连同例如单独获取的谱迹及它们之和(PA(λ)、PB(λ)、P(λ))。其他参数也可以被显示或以其他方式以图形或数字形式输出。带内噪声电平也可以被输出以用于光信号处理，或用于例如确定光放大器的噪声系数(noisefigure)。
现在更详细地描述使用所述D-Pol方法对DWDM光学系统中的输入光信号p的带内噪声或OSNR的确定。虽然下面的分析为简便起见假定沿着光学电信链路的偏振模色散(PMD)可以被忽略，但即使在存在特定程度的PMD的情况下，所述D-Pol方法仍将产生可接受的结果，如下文所讨论。这个D-Pol方法还假定噪声贡献是大部分非偏振的，例如对于现有技术电信链路中存在的典型的放大自发辐射(ASE)的一般情况。
图4示出了相应于用多级联可重构光分插复用器(ROADM)滤波的10Gbit/s DWDM光信号测得的光谱P(λ)，以及使用下文解释的D-Pol方法获得的载有数据的信号贡献S(λ)和噪声贡献N(λ)的起初未知的光谱以及噪声贡献N(λ)的估计。
测得的光谱P(λ)包括信号贡献S(λ)和噪声贡献N(λ)，以使得：
P(λ)＝S(λ)+N(λ)。 (2)
信号贡献S(λ)和噪声贡献N(λ)各自起初是未知的，且尚待估计。如上所述，使用互相正交的偏振态分析条件，从输入光信号p产生了两个样本pA和pB。获取了相应于这两个样本pA和pB的这对互相正交的光谱PA(λ)和PB(λ)。在这两个样本pA和pB之中分离信号贡献与噪声贡献，以使得这两个光谱PA(λ)和PB(λ)之一大致包括所述信号贡献的较大份额。体现所述信号贡献的较大份额的光谱PA(λ)或PB(λ)在下文将被称为P＞(λ)，而另一个将被称为P＜(λ)，以使得：
P(λ)＝Psum(λ)＝P＞(λ)+P＜(λ)。 (3)
例外地，可能发生导致P＞(λ)和P＜(λ)相等的偏振分析条件，在该情况下，可以通过改变偏振置乱器12(见图2)的设置，或通过例如干扰输入光信号p以在其偏振条件中提供一个小变化，来用不同的偏振分析条件对输入信号p重复进行数据获取，然后再重复数据获取。
如上所述，一种特殊情况是OSNR在所获取的光谱P＞(λ)、P＜(λ)之一上是零(即该信号被完全抑制)，但应理解，此处描述的方法以及其他实施方案都不要求这样的条件。
注意，光谱迹的测量功率的绝对值取决于OSA的分辨率带宽(RBW)。依照惯例，所获取的光谱迹在数据处理中通常被归一化到0.1nm的RBW，尽管未加工数据(raw data)通常相应于更窄的RBW，例如在前述的由EXFO Inc.市售的FTB-5240 OSA的情况下是近似0.065nm。
令参数κ被定义为代表了信号贡献S(λ)的以P＞(λ)度量的那部分。由此且假定噪声贡献是非偏振的，我们可以表达：
P＞(λ)＝κS(λ)+0.5N(λ) (4a)
并且，通过扩展得到：
P＜(λ)＝[1-κ]S(λ)+0.5N(λ)。 (4b)
注意，此处使用的κ与Gariépy等人(前文)的k和K值的关系为k＝(1-κ)/κ且K＝1/(2κ-1)。
如果我们假定几乎没有或没有链路PMD，则κ在该光信号带宽之内是波长恒定的(例如，对于40G波特的信号是近似40GHz)。用这些表达式，现在可以定义该光谱的差分偏振响应S′(λ)，于是从所获取的光谱迹容易算出：
S′(λ)＝P＞-P＜＝(2κ-1)S(λ)。 (5)
现在，如果我们假定在相应于信号最大值的峰值波长λp处信号贡献远高于噪声贡献，即S(λp)＞＞N(λp)，则参数κ可以被估计为：
κ≈κe＝P＞(λp)/Psum(λp)。 (6)
对于当前用在光纤电信链路中的大多数调制方案，这个峰值波长相应于大致位于该信道带宽的中点处或附近的单个信号峰。然而，更普遍地，应当在使信号贡献处于峰值功率的波长处或附近评估参数κ，以使得噪声贡献相对于信号贡献为最小。
将等式(6)代入等式(5)，得到：
S(λ)≈Se＝S′(λ)/(2κe-1)。 (7)
并且将(7)与(2)结合，则得到：
N(λ)≈Ne(λ)＝Psum(λ)-S′(λ)/(2κe-1)。 (8)
图4中示出了对噪声贡献Ne(λ)的该一阶估计(first-orderestimation)的一个示例结果。从等式(8)可见，在峰值波长λp附近计算的噪声值很可能是不可靠的，因为等式(6)中κ的零阶估计(zero-order estimation)(即κe)假定在该峰值波长处是零噪声，从而Ne(λp)＝0。然而，如图4中所例示，在显著远离该峰值波长但仍在该光信号带宽之内的从而仍被认为在带内的那些波长处，误差通常是最小的。
例如，在交叉(cross-over)波长λx处，其中Ne(λx)＝Se(λx)，等式(8)可以被重新整理以给出：
S′(λx)≈Psum(λx)/[(2κ-1)/2]。 (9)
从所获取的数据中，我们得知了Psum(λ)和S′(λ)的曲线，从而可以容易地确定交叉波长λx。在一个实施方案中，使用了两个值λx1和λx2，在信号峰的每一侧有一个。于是由等式(8)简单地给出λx处的噪声电平。例如，对于S(λp)/N(λp)为100(20dB)的情况，在N(λx1)和N(λx2)上的误差小于大约0.05dB。
据此，在一个实施方案中，在λx1和λx2之间(例如在λxp处)的带内噪声是通过如下方式确定的：对在N(λx1)和N(λx2)之间的一个线性函数做插值，从而提供零阶噪声估计Ne(λp)。
在一个实施方案中，使用在公式(2)和(6)中的这个插值的近似噪声值，得到了改进的零阶估计κe′。从这个改进的估计κe′，得到了N(λp)的更精确的值。
此处理可被进一步迭代直到噪声值收敛到一个稳定值，以获得接近于峰值波长的一阶噪声值。在实践中，通常只要求一次迭代。也可以使用更复杂的信号处理算法以及关于噪声曲线行为的一些假定。使用这样的迭代处理，在PMD不随着该信号带宽之内的波长而显著影响SOP的情况下，可以在光信号带宽之内确定噪声贡献N(λ)的光谱。因此，用10G波特的信号比用40G波特的信号更容易满足此条件，因为10G波特的信号比40G波特的信号在光谱上更窄。
进一步，从公式(2)-(3)获得了信号电平S(λ)：
S(λ)＝Psum(λ)-N(λ)。 (10)
从而，该信道光学带宽之内的光学信噪比可以被表示为：
OSNR＝∫CBW S(λ)dλ/Nref， (11)
其中CBW是有效信道光学带宽，Nref是在该信道的中心处在标准0.1nm RBW中的积分噪声(integrated noise)。
替代地，也可以计算总的信道OSNR(OSNRch)，即，在该信道被解复用之后会被传输系统中的接收机看到的实际的光学信噪比。所述OSNRch可以被定义为：
OSNRch＝∫CBW S(λ)dλ/∫CBW N(λ)dλ。 (12)
假定在该信道带宽之内噪声恒定，则该公式简化成：
OSNRch＝∫CBW S(λ)dλ/[Nref·(CBW/0.1nm)]。 (13)
在另一个实施方案中，在检测到的射频基带中的源自输入光信号的电噪声(理论上包括信号-ASE差拍噪声和ASE-ASE差拍噪声)是直接从S(λ)和N(λ)计算的，因此回避了直截了当地确定OSNR。这样的与输入光信号相关的电噪声测量可以非常有用，例如，用于隔离商用电信光接收机中的那些与检测到的光信号不直接相关的电噪声源，例如，由接收机自身内的瑕疵和误调节引起的那些。例如，可以猜测，在实际测得的电噪声和算得的噪声之间的差，如上所述，是由这样的瑕疵或误调节引起的。
注意，在理论上，获取单对互相正交的样本足以使用所述D-Pol方法获得带内噪声的可靠估计。据此，在一个实施方案中，使用了单对样本。在这一情况下，随着P＞(λ)和P＜(λ)之间的差的减小，测量误差增大，这发生在当信号贡献S(λ)在这两个样本之中更均等地分离时。
替代地，在另一个实施方案中，产生了多于一对的样本，且获取了多对光谱P＞(λ)和P＜(λ)。然后该方法选择表现出最大的差的那一对互相正交的光谱P＞(λ)和P＜(λ)，并且用所选择的这一对光谱执行上述D-Pol方法或其任何其他实施方案。在这一情况下，例如，使用偏振置乱器12(参见图2)改变SOP分析条件。当由PMD引起的效应在信号带宽(通常仅为8或更少)之内不显著时，使用随机选择的SOP分析条件来获得对于多个DWDM信道中的每一个信道的OSNR测量。出于与同步获取一对互相正交的样本相关的实际原因，通常希望，在对一个具体DWDM信道进行一次获取扫描的时间上，SOP不要显著地变化。据此，在一个实施方案中，SOP在每次获取扫描之间准时地变化，并且在光谱P＞(λ)和P＜(λ)的获取期间保持固定。在另一个实施方案中，SOP在与个体DWDM信道之内的OSA扫描速度相比更慢的时间尺度上变化，使得SOP分析条件不会因为置乱而在信道带宽上显著改变，但在对整个DWDM谱范围(例如整个电信C频带)进行扫描所花费的时间上显著改变。
应注意，如果存在显著的PMD，则由于光谱分析器的非零缝宽(slitwidth)而可能存在输入信号的一些明显的局部消偏振(depolarization)。然而，通过估计峰值波长(λp)处的比例常数，所述D-Pol方法不受由此形成的消偏振的影响。此外，通过采用足够窄的有效缝宽，所述消偏振可以被最小化。例如，对于与电信C频带(即，1530-1565nm)中的0.05nm的OSA分辨率带宽相应的缝宽以及大约15ps的PMD，所述D-Pol方法仍允许为10G波特和40G波特两种信号以0.5dB或更小的精确度测量高达20dB的OSNR。然而，在实践中，15ps的PMD值会是非常高的，且很少存在于为高带宽传输而设计的大多数现役光纤链路中。
本领域技术人员应理解，前述方法可能有许多变体。因此，不应将本文描述的方法理解为限制性的。例如，虽然P＞(λ)、P＜(λ)和Psum(λ)通过公式(3)相互关联，但测量其中任意两项即可提供足够的信息来实现本方法的一个适当修改的版本。
虽然所述D-Pol方法提供了许多性能优势，特别地是相对于主动消偏振方法，但仍然有某些局限。
前述D-Pol方法的一个局限可以出现在包括了待表征的信号和噪声的光信道被紧滤波时，就像在信号路径包括了多个居间滤波器的情况下那样，诸如就像在启用了ROADM的网状网络中的DWDM信号的情况下那样。从上面的公式(8)可知，噪声贡献的直接确定被限制到交叉波长(λx1，2)附近的波长。通过随后采用上述迭代过程，可以可靠地将N(λ)延伸得略为靠近通常出现在信道中央的信号峰。然而，通过插值或智能曲线拟合将噪声曲线延伸得更为靠近信号峰可能是不可靠的，尤其是当光信号带宽近似等于或大于滤波器的通带时。
图5中例示了这一情况的一个实例，其示出了对带有多级联可重构ROADM滤波器的真实的40G ROADM系统做出的一个示例测量。绘出了测得的光谱P(λ)，以及信号贡献P(λ)和噪声贡献N(λ)的起初未知的光谱以及使用本文描述的零阶D-Pol方法“Ne(λ)_D-Pol”、本文描述的具有一次迭代的D-Pol方法“迭代的Ne(λ)_D-Pol”和诸如下文描述的I-D-Pol方法“Ne(λ)_I-D-Pol”估计的噪声光谱。
另一个局限可能出现在存在强PMD的情况下。比值P＞(λ)/P＜(λ)，，从而所形成的重构信号Se(λ)，可能呈现出波长依赖性(wavelength-dependent)波纹。由公式(8)确定的重构噪声曲线Ne(λ)(其限于交叉点附近的波长)变得对于除了那些非常接近于这两个交叉波长的值之外的所有值都不那么可靠。
改进的差分偏振响应(I-D-Pol)方法
下文将要更加详细描述的I-D-Pol方法可以被用来确定该光信号带宽全部或大部分的带内噪声，而不使得测量时间过长。虽然所述I-D-Pol方法利用了所述D-Pol方法的许多要素，但它提供了显著的优势和进步，从而被称为“改进的D-Pol”方法。注意，所述I-D-Pol方法不需要引入对噪声贡献N(λ)的光谱的形状的假定或已有知识。它允许针对交叉波长之间的(即遍及有用的光信号带宽的)波长估计噪声贡献N(λ)。
与本文描述的D-Pol方法相比，所述I-D-Pol方法提供了估计参数κ的另一途径，该途径不基于在具体波长(例如信号峰处或附近的λp)处测量的数据。所述I-D-Pol方法也不预先假设，中心区域上(例如左右交叉波长λx1，2之间)的下层噪声在光谱上是平坦的或具有事先已知的形状。更确切地，所述I-D-Pol方法采用从头开始的(ab initio)统计方法来得出κ的估计值(即κe)作为各种输入SOP的足够大数量nsop的函数，其中此SOP分布的特性被假定为近似已知。一旦已确定κe，则可以直接估计遍及整个信号带宽的噪声贡献Ne(λ)的光谱。在本文描述的许多实施方案中，该分布被假定为近似均匀地分布在庞加莱偏振球上。然而应注意，在替代实施方案中情况不一定如此，尽管该分布的特性优选地是近似已知的。
图6例示了使用所述I-D-Pol方法来确定输入光信号上的噪声参数的方法的一个实施方案。如在上述D-Pol方法中，在步骤602中，这两个样本pA和pB是使用互相正交的偏振态分析条件从输入光信号p产生的，所述互相正交的偏振态分析条件是，例如，通过偏振束分离器14(见图2)实现的。注意，这两个(正交的)SOP分析条件，相对于输入光信号p中包含的信号贡献的SOP而言，可以是完全任意的。在步骤604中，同时地(同时期地)获取的互相正交的光谱P＞(λ)和P＜(λ)(分别属于这两个样本pA和pB中的较大者和较小者)通常是使用偏振分集OSA 16(见图2)来获取的。光谱迹P＞(λ)和P＜(λ)通常是在信号带宽和DWDM带宽两者中的较小者上获取的，且所述测量是使用具有小于(优选地显著小于)所述信号带宽的RBW的OSA做出的。
在步骤606中，SOP分析条件被改变，通常是借助于偏振置乱器12(见图2)，且步骤602和604被重复(箭头620)直到获取了nSOP对互相正交的光谱P＞(λ)和P＜(λ)。如前文提及的，这nSOP个SOP分析条件被假定为近似均匀地分布在庞加莱球上。
在步骤608、610、612、614和616中，噪声N和信号S的贡献是，例如，由谱处理器18(见图2)使用所获取的互相正交的光谱P＞(λ)和P＜(λ)来区分的。步骤608、610、612、614和616在下文描述。在步骤618中，噪声参数，例如带内噪声、OSNR、BER或电信噪比，是使用已区分的噪声N和信号S的贡献来确定的，且通常如前文所述地被输出。
如在所述D-Pol方法中，为了区分噪声N和信号S的贡献，定义了一个差分偏振响应S′(λ)。差分偏振响应S′(λ)通过一个比例常数(其是从参数κ计算出的)与信号贡献S(λ)在所述光信号带宽之内的光谱相关。通过估计参数κ，可以估计信号贡献S(λ)的光谱迹，从而估计噪声贡献N(λ)的光谱迹。
在步骤608中，为了限定差分偏振响应S′(λ)，要计算一个极值迹(extrema trace)，例如与所述nSOP对偏振分析的互相正交的光谱P＞(λ)和P＜(λ)相应的归一化光谱的一个极大值迹Rmax(λ)或一个极小值迹Rmin(λ)。在这一实施方案中，对于每一对所述互相正交的光谱，通过对照P＞(λ)与P＜(λ)之和(即Psum(λ))将所述光谱P＞(λ)归一化，获得了归一化的光谱R＞(λ)。然后通过在所述归一化的迹R＞(λi)之中为每个波长λi估计最大值Rmax(λi)，获得了与所述nSOP次获取相应的极值迹Rmax(λ)，如下：
Rmax(λ)＝max＜R＞(λ)＞SOP＝max＜P＞(λ)/Psum(λ)＞SOP。(14)
据此，在这一实施方案中，极值迹Rmax(λ)是在每个获取波长处或在所述获取波长的一子集上评估的。
如果沿着信号路径几乎不存在或不存在PMD，则可以考虑在极值迹Rmax′(λ)的意义方面更易于理解的另一个实施方案。在这一实施方案中，极值迹Rmax′(λ)是通过在所获取的nSOP对光谱之中的归一化迹中识别显示出最大信号峰一个归一化迹来获得的。然后，所述极值迹Rmax′(λ)相应于光谱P＞(λ)(对此SOP分析条件最接近地与信号的SOP校准)，从而相应于光谱迹P＜(λ)(此处最大地抑制了信号贡献)。然后，可以对那些将SOP置乱的主动消偏振方法做出模拟，直到信号被完全抑制。然而，应强调，与消偏振方法不同，在所述I-D-Pol方法的情况下，在偏振分析的互相正交的光谱P＞(λ)、P＜(λ)之任一中都不要求信号被基本或完全抑制。极值迹Rmax′(λ)中的信号的SOP的不完美校准如下所述地被参数κ补偿。
再次参看图6的实施方案，为了构造复合(composite)极值迹，极值迹Rmax(λ)确切地是被逐波长进行估计的。这样构造复合极值迹允许显著补偿某些信号畸变，特别是PMD，这些信号畸变原本会导致重构信号S′(λ)的波长依赖性误差。
在步骤610中，不是如同前面在所述D-Pol方法中那样从信号峰(λp)处的值来估计κ，而是通过如下方式来估计参数κ：执行统计学计算，以从针对κ的概率密度函数(作为SOP的数量和/或在庞加莱球上分布的函数)来提供对κ值的从头开始的估计。尤其，当SOP独立地且均匀地分布在庞加莱球上时，算得的概率密度函数的预期值μ产生了下面的(从头开始的)估计κe，作为不同SOP值的数量nSOP的函数：
κ≈κe＝0.5[(2nSOP+1)/(nSOP+1)]。(15)
换言之，κe的值表示：数量nSOP越大，则获取具有与该信号的SOP接近的SOP的光谱迹P＞(λ)、P＜(λ)之一的机会就越大。据此，数量nSOP越大，则κ越逼近1。因此，可以从假定了大量偏振分析光谱迹(Pa(λ))的概率计算来估计所述比例常数。
在步骤612中，从公式(14)中对极值迹Rmax(λ)的定义，可以将差分偏振响应S′(λ)定义为：
S′(λ)＝(2Rmax(λ)-1)×Psum(λ)。
在步骤614中，信号贡献S(λ)的光谱被估计为：
S(λ)≈Se(λ)＝S′(λ)/(2κe-1)，
且在步骤616中，噪声贡献N(λ)的光谱被估计为：
N(λ)≈Ne(λ)＝Psum(λ)-Se(λ)，(16)
其中Psum(λ)＝P＞(λ)+P＜(λ)。
最后，在步骤618中，确定带内噪声参数。例如，可以使用下式计算OSNRc：
OSNRc＝∫CBW Se(λ)dλ/∫ENBW Ne(λ)dλ，(17)
其中ENBW是等效噪声带宽。例如，当ENBW＝0.1nm且ENBW＝CBW时，可以针对具体的DWDM被测信道分别获得参考OSNRref和信道OSNRch。
注意，在由箭头620表示的实施方案中，步骤602至606被重复，直到获取了nSOP对互相正交的光谱，并且在这nSOP对全都被获取之后才执行对S(λ)和N(λ)的数学的区分(步骤608至616)。在由箭头622表示的另一个实施方案中，获取第一对互相正交的光谱，并用这第一对(nSOP＝1)构造复合极值迹。据此，重复步骤602至606以获取第二对互相正交的光谱，并用这个迭代获取的第二对(nSOP＝2)的信息来更新所述复合极值迹。用第三、第四、第五对等重复步骤602至606，以迭代地精制所构造的复合极值迹，并且在任何给定数量的nSOP次获取之后可以执行步骤608至616来获得一个估计。一旦相应于nSOP次获取已经执行了给定数量的迭代，则可以执行步骤608至616来获得噪声贡献的光谱的估计、信号贡献的光谱的估计，从而获得噪声参数的估计。随着数量nSOP的增加，估计的不确定性降低。因而可以重复步骤602至606以及步骤608至616，直到积累了给定数量的NSOP对(nSOP＝NSOP)(对这NSOP个对执行数学的区分)，或者直到测量的不确定性变得适当地低(要么由操作员“实时地”确定，要么由起初选择的测量参数确定)。因而，可以预先确定所述给定数量。
应注意，采用Gariépy等人的k和K定义(前文)，可以将公式(16)替代地表达为：
k≈1/(2nSOP+1) (18a)
K≈(nSOP+1)/nSOP (18b)
应意识到，极值比(extrema ratio)(即极值的归一化值)在前述方法中的使用使得OSNR的确定对于输入光信号的可以发生在测量过程的持续时间上的功率(例如Psum(λ))变化不那么敏感。
相似地，估得的噪声曲线Ne(λ)可以被重写为：
Ne(λ)＝2[P＞(λ)-κeSe(λ)]；或
Ne(λ)＝2[P＜(λ)-(1-κe)Se(λ)]
一旦获得了噪声频谱Ne(λ)，则可以在信号带宽上计算OSNR(根据任何想要的RBW惯例)或者直流电信号-ASE差拍噪声，如前所述。
本领域技术人员应理解，前文描述的I-D-Pol方法存在一些会导致等效分析的变体。因此，本文描述的方法不应被解释为是限制性的。
例如，这一方法不一定使用偏振分集OSA装置。在第一替代方案(图11A)中，假定输入光功率在测量期间不改变，则可以在单信道偏振独立性(polarization-independent)OSA(或者等效地，偏振分集OSA的单信道)的输入之前放置一个简单偏振分析器(例如，具有已知的额外损耗的线性偏振器)。如果通过在该分析器之前采用一个偏振控制器而获得了与具有已知分布(例如，在庞加莱球上均匀分布)的SOP分析条件相应的足够大数量(nSOP)的迹，那么每个波长处的最大值(紧密逼近总功率)和每个波长处的最小值可以被用于实现上述过程。
在第二替代方案(图11b)(适用于，例如，包括双信道偏振独立性OSA——其中每个信道都是偏振独立性的——的测量设备)中，可以在这两个信道之一的输入之前放置一个分析器(例如，具有已知的额外损耗的线性偏振器)，第二(未分析的)信道被用于将检测到的光谱归一化，从而使得测量值对输入光功率的变化基本不敏感。
在第三替代方案(图11C)中，可以在该分析器之前(要么在偏振置乱器PS之前，要么在偏振置乱器PS之后)采用一个非偏振依赖性(non-polarization-dependent)分束装置，以提取输入光功率的一部分，然后将此功率用于归一化。(为清楚起见，省略了电气连接和处理装置的细节。)在这一情况下，通常有必要，例如，对所提取的光进行滤波，以仅包括来自被测DWDM信道的功率(通过排除来自相邻DWDM信道的光功率)。
前述三个替代方案可以由本领域技术人员使用上述关于I-D-Pol得出的算法来实现。
对于前文描述的分析方法，存在替代方案。例如，在一个实施方案中，所描述的方法被修改以使用极值比Rmin(λ)，其中
Rmin(λ)＝min＜R＜(λ)＞SOP＝min＜P＜(λ)/Psum(λ)＞SOP。
然后，S′(λ)可以被定义为：
S′(λ)＝(1-2Rmin(λ))Psum(λ)
或＝(Rmax(λ)-Rmin(λ))Psum(λ)。
同样地，极值迹R′max(λ)和R′min(λ)可以替代地被表达为：
R′max(λ)＝max＜P＞(λ)/P＜(λ)＞SOP，以及
R′min(λ)＝min＜P＞(λ)/P＜(λ)＞SOP。
以相似的方式，可以用未归一化的获取的偏振分析光谱极值迹，诸如未归一化的极大迹(Pamax(λ))和/或未归一化的极小迹(Pamin(λ))：P＞(λ)＝Pamax(λ)＝max＜Pa(λ)＞SOP且P＜(λ)＝Pamin(λ)＝min＜Pa(λ)＞SOP)，来将S′(λ)定义为S′(λ)＝Psum(λ)-2Pamin(λ)，
或＝Pamax(λ)-Pamin(λ)
或＝2Pamax(λ)-Psum(λ)。
也应意识到，虽然本文描述的I-D-Pol方法的优选实施方案假定了近似均匀但随机的SOP分布，但可以替代地使用具有其他特性的分布。这些可以要求不同的偏振控制装置来控制射到偏振分析器上的光信号的SOP。对于这样的分布，可以得到替代的概率密度分布，并从中推导出κe值，如本领域技术人员会知道的。
图5例示了所述I-D-Pol方法如何能够为40G DWDM信号提供对噪声贡献N(λ)的光谱的精确估计，如用通过图6的方法获得的曲线“Ne(λ)I-D-Pol”提供的那样。所述I-D-Pol方法允许可靠地确定遍及信号带宽的噪声曲线。
现在讨论如本文描述的I-D-Pol方法的不确定性。
与N(λ)关联的理论上的相对不确定性δn(λ)，用nSOP参数化，可以被表达为：
δn(λ)/N(λ)＝{2[(nSOP+1)/nSOP]OSNR(λ)}Δκ，(19)
其中δn(λ)＝N(λ)-Ne(λ)，OSNR(λ)＝S(λ)/N(λ)是在λ处的本地OSNR，且Δκ＝κ-κe。
考虑参数κ的概率密度函数，对于那些假定SOP分布近似均匀的实施方案，δn(λ)的标准偏差σn可以被计算为：
σn/N(λ)＝(1/nSOP)[nSOP/(nSOP+2)]1/2·OSNR(λ)
≈(1/nSOP)OSNR(λ)。(20)
使用Ne(λ)以N(λ)为量度的标准偏差或不确定性既依赖于SOP的数量(nSOP)又依赖于在具体波长λ处的OSNR(λ)。图7示出了分别达到0.3dB、0.5dB和1dB的标准偏差所要求的nSOP和OSNR(λ)之间的关系。例如，当测量20dB的OSNR时，要求数量nSOP为大约900以获得0.5dB的标准偏差σn。
图8示出了对于所述主动消偏振方法(PN)(见J.H.Lee等人，“OSNR Monitoring Technique Using Polarization-Nulling Method”，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.13，No.1，January 2001)和所述I-D-Pol方法二者，相应于20dB和25dB的OSNR值，OSNR偏差绝对值随着SOP数量nSOP而变化的图。它示出了，除了提供完整噪声谱曲线、SOP数量nSOP从而提供测量时间以外，相应于给定OSNR，用所述I-D-Pol方法的不确定性比用主动消偏振方法更小。
上面详述的采用了从公式(15)确定的κe值的I-D-Pol方法实施方案假定，这nSOP对迹P＞(λ)、P＜(λ)的SOP的置乱是均匀的，即，被偏振置乱覆盖的SOP的密度在庞加莱球上是大致相等的。然而在实践中，为了达到上述I-D-Pol方法的可接受的性能，对于待测OSNR的实际值(例如小于25dB)，这并不是一个非常严格的要求，即使当使用公式(15)(其是通过假定均匀SOP分布而得出的)来估计κ时。在许多方面，有关的是SOP在庞加莱球上的覆盖而非其均匀性，即，在庞加莱球上的SOP分布中不应存在任何显著的空区域或“孔洞”。注意，考虑到SOP的随机置乱，随着迹对P＞(λ)、P＜(λ)的的数量nSOP增加，在庞加莱球上的SOP分布中存在这样的孔洞的概率减小。据此，在数量nSOP大(例如nSOP＞200)的情况下，SOP的置乱是均匀的这一假定成立。在数量nSOP中等(例如50＞nSOP＞100)的情况下，已显示出，通过SOP的随机置乱，前述I-D-Pol方法对SOP在庞加莱球上的不均匀分布不是非常敏感。
在本文描述的D-Pol和I-D-Pol方法的实施方案中，假定噪声贡献N(λ)是非偏振的。应认识到，在噪声是大部分或基本上非偏振的情况下，这些方法也成立。例如，当光通信链路上存在偏振依赖性损耗(PDL)时，可能会出现噪声贡献N(λ)的轻微偏振。当存在这样的PDL时，噪声贡献仍被认为是大部分非偏振的，且本文描述的D-Pol方法和I-D-Pol方法仍成立，不过带有由PDL的存在导致的测量误差。据估计，由PDL引起的OSNR测量误差与PDL的电平在同一数量级。然而应注意，目前对存在PDL的情况下的OSNR定义没有成规。因此，前述方法不应限于任何OSNR定义。
图9例示了一种受控的测试机构1000，用于例示前述I-D-Pol方法的性能。在图9的机构1000中，OSNR可以被调节到已知的值，因为测试台元件被仔细地预校准。机构1000包括自制(home-built)信号源1010，其模拟对40Gb/s的信号的差分相移键控(DPSK)调制，还包括ASE噪声源1012。信号源1010和噪声源1012分别仿真了信号贡献s和噪声贡献n。在信号源1010和噪声源1012之后分别放置了可变光学衰减器1014、1016，以调节信号贡献s和噪声贡献n的相对功率电平，从而调节OSNR。耦合器1018将信号贡献s和噪声贡献n合并成输入光信号p。强模耦合(strong-mode-coupling)PMD仿真器102o(标称5和10ps)被交替地插入信号路径，并且输入到仿真器1020中的SOP被调节以最大化κ的由PMD引起的波长依赖性。解复用滤波器1022被用来对输入光信号p进行紧滤波，以仿真典型的DWDM输入光信号p。然后，测量系统1024(诸如图2的系统10)被用来根据前述I-D-Pol来测量OSNR。系统1024使用了一个由EXFO Inc.市售的FTB-5240S-P OSA以及一个低成本双元件偏振置乱器。注意，该偏振置乱器提供了相当好的SOP覆盖，但庞加莱球上的SOP分布并不完美均匀。
对于每个PMD仿真器1020，OSNR电平从15到25dB(相对于0.1nm参考带宽)不等，且该OSNR是使用前述I-D-Pol方法估计的。图10示出了在通过机构1000的校准来调节的OSNR和通过I-D-Pol方法估计的OSNR之间的偏差，如从数量nSOP为500的乱序SOP中评估的。如图10中所示，对于高达20dB的OSNR的所有仿真的PMD条件，OSNR偏差在0.5dB以内，而对于25dB的OSNR则维持在1dB以下。
虽然在方框图中例示为经由不同数据信号连接彼此通信的成组的离散元件，但本领域技术人员应理解，所例示的实施方案可以用硬件部件与软件部件的组合来提供，其中某些部件是由硬件或软件系统的给定功能或操作来实现的，且所例示的许多数据路径是由计算机应用程序或操作系统内的数据通信来实现的。因此，所例示的结构是为了所描述的实施方案的教导效率而提供的。
上述实施方案仅旨在示例。本发明的范围应仅由所附权利要求来限定。
Claims (28)
1.一种用于对输入光信号P(λ)确定带内噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献S(λ)以及噪声贡献N(λ)，所述信号贡献是至少部分偏振的，且所述噪声贡献是大部分非偏振的，所述方法包括：
对于所述输入光信号P(λ)的nSOP个不同的偏振态SOP分析条件，获取nSOP个偏振分析光谱迹Pa(λ)，所述SOP分析条件的分布近似已知；
使用所述偏振分析光谱迹Pa(λ)，在所述光信号带宽之内数学地区分所述信号贡献与所述噪声贡献，所述数学地区分包括：
获得一个差分偏振响应S'(λ)，其通过一个比例常数与所述信号贡献S(λ)的光谱相关；
按照数量nSOP的函数，估计差分偏振响应S'(λ)对所述信号贡献S(λ)的光谱的所述比例常数；
使用所述比例常数和所述差分偏振响应S'(λ)，在所述光信号带宽之内，从所述输入光信号P(λ)中估计所述噪声贡献N(λ)的光谱；以及
根据所述数学地区分得到的噪声贡献，对所述输入光信号确定所述带内噪声参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述数学地区分还包括：
识别极大迹和极小迹中的至少一个，其相应于所述偏振分析光谱迹Pa(λ)之一，所述极大迹和极小迹中的至少一个是未归一化的(Pamax(λ)，Pamin(λ))以及归一化的(Rmax(λ)，Rmin(λ))中的一个，
根据所述极大迹、所述极小迹和所述输入光信号P(λ)中的至少两个，计算所述差分偏振响应S'(λ)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述数学地区分还包括：
通过为多个波长λi中的每一个选择极大值和极小值中相应的至少一个，构造复合极大迹和复合极小迹中的至少一个，其相应于所述偏振分析光谱迹Pa(λ)之一，所述复合极大迹和复合极小迹中的至少一个是未归一化的(Pamax(λ)，Pamin(λ))以及归一化的(Rmax(λ)，Rmin(λ))中的一个，
根据所述复合极大迹、所述复合极小迹和所述输入光信号P(λ)中的至少两个，计算所述差分偏振响应S'(λ)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述构造是通过每次获取一个偏振分析光谱迹而迭代地完成的。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述构造是在获取了给定数量的偏振分析光谱迹之后执行的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述给定数量是预先确定的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述偏振分析光谱迹Pa(λ)包括多对互相正交的光谱(P＞(λ)，P＜(λ))；并且其中所述数学地区分包括使用所述多对(P＞(λ)，P＜(λ))，其中所述多对中的每一对都相应于互相正交的SOP分析条件。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述极大迹和极小迹中的至少一个通过下式被归一化：
Rmax(λ)＝max<Pa(λ)/P(λ)>SOP；
Rmin(λ)＝min<Pa(λ)/P(λ)>SOP。
9.根据权利要求2所述的方法，其中所述偏振分析光谱迹Pa(λ)包括多对互相正交的光谱(P＞(λ)，P＜(λ))；并且其中所述数学地区分包括使用所述多对(P＞(λ)，P＜(λ))，其中所述多对中的每一对都相应于互相正交的SOP分析条件，其中所述估计所述噪声贡献的光谱包括：
计算所述差分偏振响应S'(λ)，使得：
S'(λ)＝(2Rmax(λ)-1)×Psum(λ)，
其中Rmax(λ)是所述极大迹的归一化值，且Psum(λ)等于所述互相正交的光谱之和；
估计所述信号贡献S(λ)的光谱，使得：
S(λ)≈S'(λ)/(2κe-1)，
其中(2κe-1)是估计的比例常数，且κe表示了以所述互相正交的光谱之一度量的所述信号贡献的比例；以及
估计所述噪声贡献N(λ)的光谱，使得：
N(λ)≈Psum(λ)-S(λ)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述比例常数是从概率计算估计的，所述概率计算假定了大量的偏振分析光谱迹Pa(λ)以及所述SOP分析条件在庞加莱球上的分布近似已知。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述分布是近似均匀的，所述比例常数是(2κe-1)，且κe被估计如下：
κe＝0.5×(2nSOP+1)/(nSOP+1)，
其中nSOP是所述SOP分析条件的数量。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述获取包括：
将所述输入光信号偏振束分离成所述输入光信号的两个互相正交的样本；
获取相应于所述互相正交的样本的这一对的所述互相正交的光谱。
13.根据权利要求1至7中任一所述的方法，其中所述噪声参数包括所述输入光信号的光学信噪比。
14.根据权利要求1至7中任一所述的方法，其中所述噪声参数包括相应于所述输入光信号的电噪声电平，并且其中所述确定所述带内噪声参数包括：根据所述信号贡献的光谱和所述噪声贡献的光谱来计算所述电噪声电平。
15.根据权利要求1至7中任一所述的方法，还包括输出所确定的噪声参数。
16.一种用于确定表征输入光信号的噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献以及噪声贡献，所述信号贡献和所述噪声贡献具有彼此不同的偏振度和彼此不同的偏振态中的至少一个，所述方法包括以下步骤：
i.分别使用第一偏振分析条件和第二偏振分析条件，在所述光信号带宽之内相应于所述输入光信号的第一光谱迹P>(λ)和第二光谱迹P<(λ)的获取波长处获取光谱数据，在所述光信号带宽的大部分上，所述第一光谱迹比所述第二光谱迹对应更大的光功率，所述第一偏振分析条件和所述第二偏振分析条件基本互相正交，所述第一偏振分析条件相对于所述输入光信号的偏振态SOP而言是任意的，所述第一光谱迹与所述第二光谱迹之和Psum(λ)等于总的所述输入光信号的光谱；
ii.由此，对于多个所述获取波长，计算所述第一光谱迹P>(λ)的归一化比；
iii.分别对于所述输入光信号的nSOP个不同的SOP，将步骤i和ii执行至少nSOP次，且对于所述步骤i和ii每次执行的每个获取波长，保留在所有在前的所述归一化比之中的极值(max；min)，如此获得的这组极值代表了对于至少nSOP个所述第一光谱迹之中的每个获取波长的极值归一化比；
iv.使用这组极值，在所述光信号带宽之内，数学地区分所述载有数据的信号贡献与所述噪声贡献；以及
v.根据所区分的所述噪声贡献，对所述输入光信号确定带内噪声电平估计。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在获取波长λ处的极值是极大归一化比Rmax(λ)。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中相应于获取波长λ的归一化比是P>(λ)/Psum(λ)。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述数学地区分包括：
I.对所述光谱数据执行计算以获得一个差分偏振响应S'(λ)，其中所述差分偏振响应由S'(λ)＝(2Rmax(λ)-1)Psum(λ)给出，并且其中所述差分偏振响应S'(λ)通过一个比例常数与所述载有数据的信号贡献S(λ)相关；
II.使用所述差分偏振响应S'(λ)和所述比例常数的估计，估计所述载有数据的信号贡献S(λ)的光谱；
III.根据所述差分偏振响应S'(λ)除以所述比例常数的结果与总的输入光信号Psum(λ)的光谱之间的差，估计所述光信号带宽之内的噪声N(λ)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述比例常数是2κ-1，其中因子κ表示了以所述第一光谱迹P>(λ)来度量的所述载有数据的信号贡献S(λ)的比例。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述比例常数的因子κ是由从头开始的概率计算确定的，所述概率计算假定了大量的nSOP个输入信号SOP以及所述SOP在庞加莱球上的近似均匀分布。
22.根据权利要求21所述的方法，其中κ由下列关系近似给出：
κ≈0.5[(2nSOP+1)/(nSOP+1)]。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述因子κ被假定是近似波长独立性的且在信号峰处被评估，并且所述nSOP个输入信号SOP提供了对庞加莱球的足够覆盖。
24.一种用于确定表征输入光信号中的噪声参数的方法，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献以及噪声贡献，所述信号贡献和所述噪声贡献具有彼此不同的偏振度和彼此不同的偏振态中的至少一个，所述方法包括以下步骤：
i.分别使用第一偏振分析条件和第二偏振分析条件，获取所述输入光信号的第一光谱迹和第二光谱迹，所述第一偏振分析条件和所述第二偏振分析条件互相正交，且都相对于所述输入光信号而言是任意的，所述第一光谱迹和第二光谱迹表现出不同的信噪比；
ii.使用所述第一光谱迹和第二光谱迹，在所述光信号带宽之内，数学地区分所述信号贡献与所述噪声贡献；以及
iii.根据所区分的噪声贡献，对所述输入光信号确定带内噪声电平，
其中将步骤i执行总共nSOP次，每次重复都相应于所述输入光信号的一个不同的SOP，且所述nSOP个偏振态SOP都基本均匀分布在庞加莱球上，且每个光谱迹都包括在所述光信号带宽之内的多个波长处获取的测量。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述区分包括：
对所述第一光谱迹和第二光谱迹执行计算，以获得一个差异光谱，所述差异光谱与所述信号贡献的光谱基本成比例；
使用所述差异光谱，估计所述信号贡献的光谱；
从所述第一光谱迹和第二光谱迹中的至少一个，确定所述输入光信号的光谱；以及
使用从所述输入光信号的所确定的光谱中减去所述信号贡献的所估计的光谱，确定所述噪声贡献的电平。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一光谱迹和第二光谱迹中的每一个都具有信号贡献和噪声贡献，并且其中所述执行计算还包括估计因子K，所述因子K与用于在估计所述信号贡献的光谱中使用的两个光谱迹的信号贡献之间的比例相关。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述因子K被假定是近似波长独立性的且在信号峰处被评估。
28.一种用于对输入光信号P(λ)确定带内噪声参数的装置，所述输入光信号在一个光信号带宽之内具有载有数据的信号贡献S(λ)以及噪声贡献N(λ)，所述信号贡献是至少部分偏振的，且所述噪声贡献是大部分非偏振的，所述装置包括：
用于获取的装置，其对于所述输入光信号P(λ)的nSOP个不同的偏振态SOP分析条件，获取nSOP个偏振分析光谱迹Pa(λ)，所述SOP分析条件的分布近似已知；
用于使用所述偏振分析光谱迹Pa(λ)在所述光信号带宽之内数学地区分所述信号贡献与所述噪声贡献的装置，所述用于数学地区分的装置包括：
用于获得一个差分偏振响应S'(λ)的装置，所述差分偏振响应通过一个比例常数与所述信号贡献S(λ)的光谱相关；
用于按照数量nSOP的函数来估计差分偏振响应S'(λ)对所述信号贡献S(λ)的光谱的所述比例常数的装置；以及
用于使用所述比例常数和所述差分偏振响应S'(λ)在所述光信号带宽之内从所述输入光信号P(λ)中估计所述噪声贡献N(λ)的光谱的装置；以及
用于根据数学地区分得到的噪声贡献对所述输入光信号确定所述带内噪声参数的装置。
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