CN102624448B - 一种基于偏振复用信号的光信噪比监控器 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振复用信号的光信噪比监控器，包括：泵浦光单元(102)，耦合器(101)，偏振控制器(103)，环型器(104)、偏振分束器(105)、法拉第旋转单元(106)、高非线性光纤(107)以及可调滤波器(108)；所述泵浦光单元(102)输出光信号与偏振复用光信号之间满足级联四波混频效应产生条件；所述法拉第旋转单元(106)产生90度的偏振旋转。本发明利用高非线性环镜结构成功消除了偏振复用系统中存在的偏振旋转效应，实现了用一个监控装置分别精确监控两个正交偏振信道的光信噪比。本发明可应用于高速光交换网络中，实时监控和评估信号质量，以便发现网络潜在的故障，从而保证光网络的正常运行。

Description

一种基于偏振复用信号的光信噪比监控器

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，尤其是一种基于偏振复用信号的光信噪比监控器。适用于监控偏振复用系统中相互正交的偏振信道的光信噪比监控，同时可以实现光参量放大、波长转换等网络功能。

背景技术

在过去十年中，骨干网中的光传输速率得到快速增涨，通过密集波分复用DWDM使得传输容量也大幅度提高，PSK、PDM等先进的调制形式在光网络中也得到越来越多的应用，因此为了管理这样一个高容量光传输系统和交换系统，准备把握当前信号质量问题，光性能监控是必不可少的。具体来说，光性能监控技术可以实时反映系统的参数情况，保障网络安全高速运行，增强网络灵活性，为实现对恶化效应的动态补偿提供信息依据，从而对提高用户传输信号的质量提供保证。尤其在动态透明的光网络，数据格式和比特率的透明意味着一个光路可以用来传输不同格式和不同比特率的数据，而且光信号可以穿过不同的路径和不同的光学元件。但是每路光信号有它自己的来源和信号质量，为了测定光网络中光信号的质量必须监测许多物理层的参数，例如光强度、色散、光信噪比、Q因子和非线性等。其中，光信噪比能够更为直观的反映出信号质量好坏，因此，光信噪比的测量与监控一直都是全光信息处理研究的重点之一。

目前，大部分光信噪比监控的方案只适用于单偏振系统中，例如：基于窄带滤波的光谱分析法，基于偏振分束加数字信号处理结构，基于光半导体放大器(SOA)结构中的非线性效应等方案。然而随着大容量光网络的需要以及偏振复用技术的发展，偏振复用系统中光信噪比的监控显得越来越重要。目前只有少量的文章研究了偏振复用信号的光信噪比监控，其方法主要有：(1)基于马赫-增德尔干涉结构，这种方案不受色度色散、偏振模色散以及噪声部分偏振化的影响。但是利用这种方式实现多个通道的OSNR监控就需要多个测量装置，因此不适用于DWDM系统中；(2)基于高非线性光纤加功率探测器结构，这种方案利用光纤中的受激布里渊散射效应，这种方案可适用于WDM系统的PDM信号的OSNR监控，但是测量的OSNR会受偏振模色散或色度色散的影响；(3)基于窄带光滤波和射频频谱分析仪结构，这种方式可以实现PMD、CD不敏感的OSNR监控。但是，由于很多参数都可能影响到信号的射频谱，该方法需要知道原信号的很多先验信息才能够进行精确的监控。另外，以上所有方法都是简单的把PDM信号作为一个整体来监测OSNR，而实际上，传输中的信号由PDL等因素会引起两个偏振态的OSNR不相等，因此(4)基于数字信号处理DSP)结构，通过优化算法，对偏振复用信号中正交偏振态单独处理，可实现偏振模色散、色度色散不敏感的光信噪比监控，但是其处理速率受到“电域瓶颈”的限制而不适用于高速交换网络中。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于偏振复用信号的光信噪比的全光监控设备，采用一个非线性偏振复用光纤环镜结构，实现了对两路相互垂直的偏振信号的全光处理，速率透明，稳定性好，并且成功消除了非线性偏振旋转效应。通过调节偏振控制器和滤波器可以实现对任意一个偏振复用信号中不同偏振态的光信噪比的同时监控。

本发明的目的是通过如下的手段实现的：

一种基于偏振复用信号的光信噪比监控器，用以实现偏振复用信号中多路偏振信道的光信噪比的同时监控，包括：泵浦光单元102，耦合器101，偏振控制器103，环型器104、偏振分束器105、法拉第旋转单元106、高非线性光纤107以及可调滤波器108；所述泵浦光单元102输出光信号与偏振复用光信号之间满足级联四波混频效应产生条件；所述法拉第旋转单元106产生90度的偏振旋转。

采用本发明的设备，利用一个偏振控制器、一个偏振分束器、一个高非线性光纤以及一个滤波器就同时实现了偏振复用信号中多路偏振态的全光监控，克服了传统电域方案的速率限制，并且能够实现包括光参量放大、波长转换等不同的网络功能，操作简单，可应用于高速光交换网络中的信号质量监控以及网络性能检测。

本发明物理上采用单环路双向通道、对等结构；逻辑上实现了两个偏正态正交光信号的同时处理；对速率透明且可同时实现光参量放大、全光波长转换等其他网络功能。通过调节偏振控制器和滤波器可实现任意波长的偏振复用信号的光信噪比的监控。

偏振复用信号的光信噪比监控，通过调节偏振控制器使入射信号和泵浦光通过偏振分束器解复用成沿相反方向传输的两路光，其中泵浦光与偏振分束器件的主轴成45°以保证分束后两个偏振态的泵浦光功率相同。当通过高非线性光纤时，正向信号与泵浦或者反向信号与泵浦之间发生非线性四波混频以及光参量放大效应，并且由于反向传输，从而使两路信号之间的串扰达到最小。在法拉第旋转单元的作用下，四波混频后的两路信号在偏振分束器的入口处重新复用为偏振复用信号，最后通过一个可调滤波器滤出四波混频产生的一个级联分量，结合解复用装置以及功率探测装置，就可实现多个偏振信道的OSNR的同时测量。

若入射光不是偏振复用信号，则不存在偏振解复用过程，在本发明结构中偏振分束单元将同一信号分为两部分信号，并在高非线性光纤中同时发生非线性效应，又在偏振分束器的作用下再合二为一得到转换后的信号。调节偏振控制器则可以进一步控制转换后信号的偏振态。

采用本发明是针对复用信号提出的，同时也兼容了单偏振态方案的情况。

附图说明：

图1为本发明的基于偏振复用信号的光信噪比监控器结构示意图；

图2为本发明的偏振控制器103控制原理以及法拉第旋转单元104的功能；

图3为本发明的基于偏振复用信号的光信噪比监控器的逻辑分析，其中(a)为逻辑结构图；(b)为偏振复用信号的逻辑分析；(c)为单偏振系统的逻辑分析；

图4为本发明中的2×10.7Gbit/s偏振复用信号的光信噪比监控功能原理；

图5为本发明的信号输出功率与光信噪比的函数关系，以及四波混频的原理示意图；

图6为本发明的附加功能原理图；(a)为2×10.7Gbit/s偏振复用信号的光放大器功能原理；(b)为本发明中的2×10.7Gbit/s偏振复用信号的波长转换功能原理；

图7为本发明的基于偏振复用信号的光信噪比监控的部分实验结果图；(a)和(b)表示输入为RZ-PDM-OOK信号；(c)和(d)表示输入为RZ-PDM-DPSK信号；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由耦合器101、泵浦光单元102、偏振控制器103、环型器104、偏振分束器105、法拉第旋转单元106、高非线性光纤107和可调滤波器108构成。其中高非线性光纤的零色散波长、色散系数、非线性系数以及光纤长度分别为：1556-nm，0.02-ps/nm2/km，30-(W·km)-1和1-km。

图2(a)为本发明的偏振控制器103的控制原理。偏振分束器件105有两个轴：x轴和y轴，入射光E_sm以与105的x轴成

的角度入射到高非线性环镜中，在理想状态下，当调节偏振控制器103使为45°时，偏振复用信号的两个偏振态就可以完全分开，并且在环镜中反向传输。同时，泵浦光的偏振态要一直保持与105的x轴成45°夹角，这样可以保证信号在高非线性光纤中无串扰地发生四波混频和光参量放大效应。图(b)表示法拉第旋转单元106的功能示意图。偏振分束器105将输入的光信号分为两路偏振态正交的反向传输信号，其中偏振分束器105的105-1口输出为平行偏振态(//)，顺时针方向的信号；105-2口输出为垂直偏振态(⊥)，逆时针方向的信号。如图(b)所示，两路信号经过法拉第旋转单元106后，偏振态均被旋转了90°，可反射回偏振分束器105的输入端由环型器端口104-1输出。

图3为本发明方案的逻辑分析，其中图(a)为本发明方案的逻辑结构图。通过物理上的单环路、双通道，实现了逻辑上的两偏振态正交信号的并行全光信息处理。当输入信号为偏振复用信号时，通过调节偏振控制器103使得输入信号经偏振分束器105偏振解复用为两路偏振态正交信号反向并行传输。在法拉第旋转单元106的辅助下，两路信号经过高非线性光纤发生四波混频和光参量放大效应，从而产生多个谐波分量，这两路光又通过偏振分束器105的输入口复用为偏振复用信号，最后由环型器104-1口输出，如图3-(b)。当输入信号为单偏振态时，由于输入信号为偏振无关的信号，偏振分束器105则仅仅起功分(合)器和起偏器的作用。将输入信号分为独立对等的两部分进行单独处理，再合为一路输出，如图(c)所示。

图4为本发明中光信噪比监控器原理。正反两路光在高非线性光纤中发生四波混频效应，由于C1频率分量的光的转移函数是二次的，所以信号经过高非线性偏振复用环镜后，功率较大的信号光被放大，而功率较小的噪声光被压缩，这样输入信号光的信噪比不同，得到的C1光的功率也不相同，因此结合解偏振复用技术，通过两个功率检测器测出两路C1光的功率，则通过如下计算公式可得到偏振复用信号中两个偏振态各自的光信噪比。

$P_{o1}=\frac{u}{{[{10}^{({\mathrm{OSNR}}_1/10)}\·\frac{0.1\mathrm{nm}}{\mathrm{NEB}}+1]}^2}\{{\left[{10}^{({\mathrm{OSNR}}_1/10)}\frac{0.1\mathrm{nm}}{\mathrm{NEB}}\right]}^2+1\}---\left(1\right)$

$P_{o2}=\frac{u}{{[{10}^{({\mathrm{OSNR}}_2/10)}\·\frac{0.1\mathrm{nm}}{\mathrm{NEB}}+1]}^2}\{{\left[{10}^{({\mathrm{OSNR}}_2/10)}\frac{0.1\mathrm{nm}}{\mathrm{NEB}}\right]}^2+1\}---\left(2\right)$

$u=\frac{1}{8}{C}^2{r}^2({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_p)P_p---\left(3\right)$

其中，P_o1和P_o2是两个信号的输出功率，NEB是噪声的等效带宽，OSNR1、OSNR2分别是两个信道各自的光信噪比。

图5为本发明的信号输出功率与光信噪比的函数关系，以及四波混频的原理示意图，图中C1、C2信号光和泵浦光在高非线性光纤中产生的级联四波混频分量，u的定义见等式(3)，与泵浦功率成正比关系。由图可见，在一定的光信噪比范围内，输出信号功率(C1或C2)与输入信号的光信噪比成正比例关系，这样通过简单地测量级联四波混频分量的输出功率，就可以得到当前信号的光信噪比的值。从图3中的三条曲线还可以看出，通过增加泵浦功率、输入信号功率或者是使用更高阶的四波混频分量可以增加输出功率的动态范围，即监控的灵敏度。

图6为本发明的附加功能，在实现偏振复用信号的光信噪比监控的同时，还可以实现光参量放大和波长转换等网络功能。(a)为放大器原理。合理优化输入信号和泵浦的功率值，当信号和泵浦光进入该设备时，在偏振分束器105的作用下分成正反两路信号，并同时经过高非线性光纤，发生光参量放大效应。泵浦光通过交叉相位调制而展宽，并且一部分功率转移到信号光中，因此，偏振复用信号在泵浦光的作用实现放大，放大增益通过调节输入的泵浦光功率而实现调节。(b)为波长转换器的原理。同样的，在高非线性偏分复用环镜中，两路偏振信号独立并反向地在高非线性光纤中发生四波混频效应，通过调节滤波器108，选取不同波长分量的光，结合解偏振复用技术，就可实现偏振复用信号中波长转换功能。

图7为本发明的RZ-PDM-OOK和RZ-PDM-DPSK信号光信噪比的实验测量结果。在一定的光信噪比范围内，级联四波混频分量(C1)的功率与信噪比成正比例变化，因此可以通过C1的功率来衡量当前信号的光信噪比。另外，从(a)、(b)、(c)和(d)可以直观地看出当只有一个信道的信噪比变化时，另一个信道的级联四波混频分量(C1)的功率保持一条直线，基本不变。所以只需要两个功率探测器即可实现偏振复用信号中两路偏振光OSNR的同时测量。然而对于PDM信号，在全光信号处理过程中，两路信道之间的走离程度往往也严重影响着信号的质量，而本装置成功实现了对这个参量的透明处理，如图(a)和(b)所示，当PDM系统中两个信号在时间上同步或是交错时，并不影响当前测得的C1的功率值。当光信噪比大于某一个值时，C1的输出功率处于饱和状态，这主要因为噪声水平非常低，已经不能影响C1的输出功率了。

由以上实验结果中可以观察到，本发明成功实现了RZ-OOK以及RZ-DPSK偏振复用信号的光信噪比监控。通过调节输入功率的大小，可增加该设备的灵敏度，操作简单，同时克服了PDM系统中偏振旋转效应，因而通过一个设备即可对偏振复用信号的多个偏振态进行独立处理，并且对码率透明，可应用于高速光交换网络中的信号质量监控以及网络性能检测。

Claims (2)

1.一种基于偏振复用信号的光信噪比监控器，用以实现偏振复用信号中多路偏振信道的光信噪比的同时监控，包括：泵浦光单元（102）、 耦合器（101）、 偏振控制器(103)、 环型器(104)、偏振分束器(105)、法拉第旋转单元(106)、高非线性光纤(107)以及可调滤波器（108）；所述泵浦光单元（102）输出光信号与偏振复用光信号之间满足级联四波混频效应产生条件；所述法拉第旋转单元(106)产生90度的偏振旋转；耦合器(101)将偏振复用信号光和所述泵浦光单元(102)输出的泵浦光耦合输入偏振控制器(103)；偏振控制器(103)的输出端连接环形器(104)的第一端口，环形器(104)的第二端口和第三端口分别连接偏振分束器(105)的输入端和可调谐滤波器(108)的输入端;偏振分束器(105)的两个输出端通过法拉第旋转单元(106)和高非线性光纤(107)连接形成环状，所述可调谐滤波器(108)的输出端连接解复用装置及功率探测装置;泵浦光和信号光的偏振态与偏振分束器的X轴成45度。 

2.根据权利要求1所述之基于偏振复用信号的光信噪比监控器，其特征在于，所述高非线性光纤的零色散波长、色散系数、非线性系数以及光纤长度分别为：1556-nm,0.02-ps/nm/km,30-(W·km)^-1和1-km。 

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