CN102970099A - Roadm节点和光波长矫正移频器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ROADM节点和光波长矫正移频器及实现方法，所述波长矫正移频器包括锯齿波电信号发生器和电光相位调制器，所述锯齿波电信号发生器产生重复频率为F的连续锯齿波电信号作为驱动电信号，所述电光相位调制器加载所述驱动电信号对输入光信号中心波长移频Δf_i，使输入光信号中心波长λ_i接近期望中心波长λ_i-1，c为光速。本发明，通过矫正输入光信号的中心波长，使之接近ROADM的设计中心波长，从而降低了ROADM由于多级滤波级联滤波作用而导致的有效带宽损耗，采用全光方式很好地实现了对光信号波长的矫正，适用于各种传输速率的任意个波长复用的WDM光网络的ROADM节点中。

Description

ROADM节点和光波长矫正移频器及实现方法

技术领域

本发明涉及全光信号处理技术领域，具体涉及ROADM节点和光波长矫正移频器及实现方法。

背景技术

光分插复用器（Optical Add-drop Multiplexer，OADM）是光传输网的一个重要节点设备，其作用是以波长为基本单位，可将光信道中通往本地的数据下载（Drop）下来，并将本地用户发往网络其他节点的数据上载（Add）复用进光信道。对OADM节点的基本要求是：能够使所需波长上、下路的同时保证其他波长顺利通过。

OADM一般可分为两大类，即固定的OADM和可重构的OADM（Reconfigurable Optical Add-drop Multiplexer，ROADM）。前者只能上、下一个特定的波长或多个特定的波长，即节点的路由是固定的；而后者的上、下路波长可根据网络的需求进行动态重构，并且支持多方向组网。显然，ROADM使得全光网的光层组网技术更加灵活，更符合当前光传输网的发展需要。总的来说，ROADM具有以下应用优势：

（1）在无需人工现场调配的情况下，ROADM可实现对波长的上、下路及直通配置，增加了光网络的弹性，大大简化了网络规划难度；

（2）采用ROADM易于实现组播和广播功能，适合IPTV等新型业务的开展；

（3）ROADM设备的灵活性可以充分满足数据业务的动态需求，易于实现网络扩展，随业务发展而逐步增加投资；

（4）ROADM通过提供节点的重构能力极大提升工作效率及对客户新需求的反应速度，同时有效地降低运营和维护成本；

（5）ROADM采用ASON/GMPLS控制平面，支持多种网络保护/恢复，生存性强；

（6）远端统一网管，支持光功率的自动管理和端到端的波长管理。

通常，光网络中存在多个ROADM，因而光信号从其传输点到接收点，中途在光网络中传输的路径上可能会经过多个ROADM节点，而由于ROADM中使用了滤波器，这样在经过多级ROADM时光信号将受到多级滤波。由于各种滤波器来自不同的制造商，其通带的带宽、形状和中心波长都会存在轻微的差别，这在级联滤波时将带来有效带宽的损耗。

以典型的50GHz高斯滤波器为例，当光信号传输经过两级通带形状和带宽均相同，但中心波长有轻微偏差的50GHz高斯滤波器后，通带将如附图1所示。由图中可以看出，即使滤波器的通带形状和带宽均完全相同，由于级联的两个滤波器中心波长未对准，只有图中两条曲线中交叠部分才是级联之后的有效通带，而两边未重叠的部分为无效的通带，可见级联之后的滤波效应带来了一定的有效带宽损耗。因此，经过更多个ROADM节点后，光信号将受到更多级的滤波影响，最终总的通带损失将是非常可观的。

有鉴于此，需要在光信号进入ROADM节点的滤波器前矫正其中心波长，使其与滤波器设计的中心波长相匹配，从而避免带宽的减少对于光通信网络尤其是DWDM信号产生的影响，进而避免全光网络中有效带宽的损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决光信号在光网络中传输经过多个ROADM节点后，受到多级滤波，从而损耗有效带宽的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种ROADM节点输入光信号的波长矫正方法，包括以下步骤:根据ROADM的输入光信号中心波长与ROADM的设计中心波长λ_c之间的偏差Δλ确定输入光信号的移频总量Δf，

c为光速；

根据所述移频总量Δf确定对输入光信号进行移频的级数A；

每一级移频操作中，利用重复频率为F的连续锯齿波电信号作为驱动电信号驱动电光相位调制器对输入光信号的中心波长进行移频操作，使输入光信号中心波长接近ROADM的设计中心波长λ_c，每次移频量为Δf_i，

其中λ_i-1为第i次移频前的光波长，λ_i为第i次移频后的光波长，λ₀为原始输入光信号波长，i＝1，2,3,…,A；每一级移频所使用的连续锯齿波电信号的重复频率F不同；

所述连续锯齿波电信号的最大电压值为：在驱动电信号作用下所述电光相位调制器产生最大相移

时的电压值。

在上述方法中，n=0，1，2……；

所述连续锯齿波电信号的最大电压值为V_π的整数倍，V_π为所述电光相位调制器的半波电压值，即所述电光相位调制器改变π相位时所需施加的驱动电压值。

在上述方法中，当A>1时，前一级移频所使用的锯齿波型驱动电信号的重复频率小于后一级移频所使用的重复频率。

本发明还提供了一种ROADM节点输入光信号的波长矫正移频器，包括锯齿波电信号发生器和电光相位调制器，所述锯齿波电信号发生器产生重复频率为F的连续锯齿波电信号作为电光相位调制器的驱动电信号，所述连续锯齿波电信号的最大电压值为在驱动电信号作用下电光相位调制器产生最大相移

的电压值；所述电光相位调制器加载对输入光信号中心波长进行移频Δf_i，使输入光信号中心波长λ_i接近期望中心波长λ_i-1， $\mathrm{\Δ}{f}_i=-\frac{c}{{{\mathrm{\λ}}_{i-1}}^2}({\mathrm{\λ}}_i-{\mathrm{\λ}}_{i-1}),$ c为光速。

本发明还提供了一种包括若干上述移频器的ROADM节点，所述移频器依次串联设置在ROADM节点的滤波器前端。

在上述ROADM节点中，所述移频器的数量至少为两个，且前一级移频器中锯齿波电信号的重复频率小于后一级移频器中锯齿波电信号的重复频率。

本发明提供的移频器，通过矫正输入光信号的中心波长，使之接近ROADM的设计中心波长，从而降低了ROADM由于多级滤波级联滤波作用而导致的有效带宽损耗。

另外，采用的光学器件简单，通过全光方式很好地实现了对光信号波长的矫正。由于整个变换过程中不涉及光/电、电/光转换，因而处理速度不会受到电子芯片处理速度的限制；同时由于该移频器产生的频移只与锯齿波型电信号的参数有关，而与系统的数据速率及光信号自身波长等均无关，因而进行波长矫正时可适用于各种传输速率的任意个波长复用的WDM光网络的ROADM节点中。

附图说明

图1为相同通带形状和带宽的两级滤波器因中心波长微小偏差而带来的有效带宽损耗示意图；

图2为本发明提供的用于ROADM的光波长矫正移频器示意图；

图3为连续锯齿波电信号示意图；

图4为本发明提供的ROADM节点结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

本发明提供的ROADM节点输入光信号的波长矫正方法，包括以下步骤:

步骤1、根据ROADM输入光信号的中心波长与ROADM的设计中心波长λ_c之间的偏差Δλ确定输入光信号的移频总量Δf，

c为光速。

具体地说，在对ROADM输入光信号的中心波长进行移频之前，首先对输入光信号进行检测得到其中心波长，然后计算输入光信号的中心波长与ROADM的设计中心波长λ_c之间的偏差（ROADM的滤波器中心波长λ_c由器件本身决定，产品说明中会给出），再利用公式

计算出需要对输入光信号进行移频操作的移频总量Δf。

步骤2、根据所述移频总量Δf确定是否需要对输入光信号进行移频以及需要移频的级数A（需要采用几级移频操作）。

步骤3、每一级移频操作中，利用重复频率为F的连续锯齿波电信号作为驱动电信号驱动电光相位调制器对输入光信号的中心波长进行移频操作，使输入光信号中心波长接近ROADM的设计中心波长λ_c，每次移频量为Δf_i，

其中λ_i-1为第i次移频前的光波长，λ_i为第i次移频后的光波长，λ₀为原始输入光信号波长，i＝1，2,3,…,A，每一级移频所使用的连续锯齿波电信号的重复频率F不同。

其中：所述连续锯齿波电信号的最大电压值为：在驱动电信号作用下所述电光相位调制器产生最大相移

时的电压值。

当A>1（采用多级移频进行移频矫正）时，每一级移频所使用的连续锯齿波电信号的重复频率F不同，且前一级移频所使用的重复频率小于后一级移频所使用的重复频率，即前一级移频的步长大于后一级移频的步长。其目的是：首先使用较大的步长进行频移，使得频率能迅速地接近目的频率；然后再根据系统频率偏差的精度需求使用较小的步长进行移频矫正，使最终频率能够在一定程度上最接近目的频率，既加快了波长矫正的速度，又提高了精度。

本发明的原理简述如下：

众所周知，变化的相移能够产生频移，频移量即为相移的导数值，所以为了获得稳定的频移，理想情况下应该选择导数值为常数的一次函数型驱动电信号，但在现实中一次函数型的驱动电信号是无法产生和使用的，因为随着时间的延伸，驱动电信号的电压值将无上限不断增大，这对于电信号源来说是不可能产生的，因为其输出总存在一个上限电压值，不可能无限增大；同时对于被该驱动电信号驱动的电光相位调制器而言，也存在一个能承受的电压上限，若采用无限上升的正比例函数，则在一定时间内会超过这个上限，从而导致电光相位调制器被损坏。所以在实际操作时，只能采取其他方法近似地实现类似的正比例函数形式电驱动信号的功能。

本发明采用了连续锯齿波电信号作为驱动电信号驱动电光相位调制器对输入光信号的中心波长进行移频操作。因为锯齿波在每一个周期内都是一段一次函数，而不同周期之间相当于一组斜率相同而截距不同的一次函数组，而截距作为常数项将在对相移求导而得到频移的过程中被消去，对频移影响不大。截取正比例函数V(t)＝Kt在(0,T)段内的部分，并作周期性延拓到整个(0,∞)范围内，就形成了一个可以作为近似替代一次函数驱动电信号的周期为T的典型锯齿波型电信号，如附图2所示。

电光相位调制器所调相位值φ(t)与其驱动电信号V(t)满足：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{V\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}\·\mathrm{\π};$

以锯齿波第一个周期为例分析，其表达式与一次函数相同，为：

V(t)=Kt；

其中K为一次函数图像直线的斜率。

由以上两式结合可得：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{Kt}\·\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}.$

为讨论简单起见，引入参数

其含义为在驱动电信号作用下电光相位调制器能产生的最大相移。由于电光相位调制器产生的相移量与其上所加载的驱动电信号电压值成正比，因此，对于锯齿波型驱动电信号，显然

应在每个波形的最后时刻取得，即：

${\mathrm{\φ}}_m=\mathrm{\φ}\left(T\right)=\frac{\mathrm{KT}\·\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}};$

从而由于电光相位调制器产生的相移

而带来的角频率频移为：

$\mathrm{\Δ\ω}=\frac{\mathrm{d\φ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{K\π}}{V_{\mathrm{\π}}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_m}{T};$

而频率f和角频率ω之间有关系式所以上式可变为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_m}{2\mathrm{\π}\·T}=\frac{{\mathrm{\φ}}_m\·F}{2\mathrm{\π}}=\frac{K}{2V_{\mathrm{\π}}}.$

其中F为锯齿波型驱动电信号的重复频率。由上式可以看出，由于电光相位调制器的半波电压V_π对于具体器件来说是固定的，故频移量Δf直接由锯齿波斜率K决定，而K可以通过调整电光相位调制器的相移量

和驱动锯齿波型信号的重复频率F来改变，相比之下参数和F的设置和调节要比斜率K要直观和方便得多（

可由驱动电信号的电压最大值确定），由关系式λ＝c/f可知，频率的变化将带来一定的波长改变，从而实现了对中心波长的矫正。

这里选用的锯齿波型驱动信号虽然在一定程度上较完美的实现了对一次函数型驱动信号的近似，并且具备可实现性，但由于毕竟锯齿波型的驱动信号是周期性的，它改变了一次函数非周期性的特性，对一次函数原本连续的频谱进行了抽样变成了离散谱，必将导致其移频功能相对于一次函数型驱动信号有缺陷，即非连续移频。在实际进行实验时也发现，在锯齿波的重复频率确定时，本移频器能够产生的频移量只能取到一系列的分立值，这些分立的取值将在各个

处取得（n为整数），这便是由锯齿波型的驱动信号与理论的一次函数之间的差异带来的。但同时，这些分立取值之间的距离是一定的，其频率间隔等于所使用的锯齿波的重复频率，因而虽然本方案实现的是有一定“步长”的移频，但其步长可以通过调整锯齿波的重复频率而方便地调整，从而使使光信号的现有频率在一定程度上接近目标频率，步长越小，则越能接近目标频率。

因为电光相位调制器能承受的电压有限，所以虽然增大峰值电压可以加大最大调相值从而提高移频量，但在所需的移频量较大时从器件安全的角度考虑，应该采用多级移频。结合上述的步长可变的特点，多级移频可采用先大后小的步长方案：先用较大的步长进行频移，使得频率能迅速地接近目的频率附近；然后根据对系统频率偏差的精度需求来使用较小的步长，以使得最终频率能够在一定程度上最接近目的频率。具体采用多少级移频，则应根据实际对移频的精度要求和成本控制等因素来确定。

同时由上述推导可知，上述方法产生的频移只与锯齿波型电信号的参数有关，而与系统的数据速率、光信号自身波长及WDM系统复用波长数目等均无关，对N个波长复用的光信号，经过该移频器后将对所有波长的光信号均带来相同的频移量，因而进行波长矫正时可适用于各种传输速率的任意个波长复用的WDM光网络的ROADM节点。

本发明还提供了一种用于ROADM的光波长矫正移频器，如图2所示，包括电光相位调制器1（Phase Modulator，PM）和锯齿波电信号发生器2，锯齿波电信号发生器2在第一控制单元4的控制下产生如图3所示的连续锯齿波电信号，电光相位调制器1在第二控制单元3的控制下加载所述驱动电信号对输入光信号中心波长进行移频Δf_i，使输入光信号中心波长接近期望中心波长λ_i-1，

c为光速。

以最初的一次移频为例：ROADM的输入光信号的中心波长为λ，设计中心波长为λ_c，则移频器进行的移频

本实施例中，电光相位调制器1为直波导铌酸锂电光相位调制器，例如：可选用北京世维通光通讯技术有限公司研制的PMS-E型直波导铌酸锂（LiNbO₃）电光相位调制器。锯齿波电信号发生器可使用任意波形发生器，例如：美国泰克（Tektronix）公司生产的AWG7000B型任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）。

一般来说，电光相位调制器的工作是与光信号的偏振态有关的，故在实际使用时应在电光相位调制器前使用偏振控制器，并采用反馈系统以控制其偏振。由于目前高速光纤通信系统中DP-DQPSK等偏振相关的高级调制格式的广泛应用，偏振态的反馈控制技术已经较为成熟，且并不是本专利的关注重点，故在此不作详细说明。

本发明所述的光波长矫正移频器，通过矫正输入光信号的中心波长，使之接近ROADM的设计中心波长，从而降低了ROADM由于多级滤波级联滤波作用而导致的有效带宽损耗。

另外，本发明采用的光学器件简单，通过全光方式很好地实现了对光信号波长的矫正。由于整个变换过程中不涉及光/电、电/光转换，因而处理速度不会受到电子芯片处理速度的限制；同时由于该移频器产生的频移只与锯齿波型电信号的参数有关，而与系统的数据速率及光信号自身波长等均无关，因而进行波长矫正时可适用于各种传输速率的任意个波长复用的WDM光网络的ROADM节点中。

本发明还提供了一种ROADM节点，包括若干上述的移频器，所述移频器依次串联设置在ROADM节点的滤波器前端。图4示出了使用两个移频器的ROADM节点具体实施例。

其中第一移频器中的第一电光相位调制器20和第二移频器中的第二电光相位调制器30所需的锯齿波型驱动电信号由第一任意波形发生器40和第二任意波形发生器50分别产生，网管模块60对第一、第二任意波形发生器40、50进行管理和控制，例如通过控制任意波形发生器产生的锯齿波重复频率来设置频移的步长。经过移频器对波长的矫正后，传输的光信号波长与ROADM中滤波器的设计中心波长得到了一定程度的校准，这样在滤波器70之前使用多级波长校准，可以大大降低其有效带宽的损耗。

以下结合一个具体实例对本发明作出进一步地解释说明。

本实施例为40Gbit/s光网络中的ROADM节点，其中滤波器的设计中心波长λ₀为1550.13nm，而进入此节点之前的传输光信号中心波长λ₁为1550.00nm，锯齿波电信号发生器能够产生重复频率为5GHz、10GHz等的锯齿波电信号，电光相位调制器的半波电压为3.5V。为了矫正光信号的波长与滤波器中心波长的偏差，使用本发明的波长矫正方法如下：

（1）、由目标波长1550.13nm和初始波长1550.00nm，可以确定理论上需要的波长矫正量为0.13nm。

（2）、由公式

可以计算得出，0.08nm的波长变化量约对应于10GHz的频移量，而0.04nm的波长变化量约对应于5GHz的频移量，由于锯齿波电信号发生器能够产生5GHz和10GHz重复频率的电信号作为驱动信号，且理论计算可得当

的n=1时，即

时，若F=5GHz则Δf=5GHz，若F=10GHz则Δf＝10GHz，即所需的两个频移量都是本实验的设备可以产生的。

同时，将1550.00nm矫正至1550.12nm，虽然距离理论目标波长1550.13nm还有0.01nm的差距，但考虑到权衡精度要求和成本预算，这种矫正效果已经足以满足要求。所以经以上理论分析后，可以确定移频方案为两级移频，第一级移频器使用重复频率为10GHz的锯齿波电信号驱动，第二级使用5GHz的锯齿波电信号驱动，两级中的

均取2π。

（3）、依照步骤（2）中理论设计的移频方案进行两级移频，两级均采用的

根据V_π=3.5V可以算得，锯齿波型驱动电信号的峰值电压应为7V。因而确定第一级移频所使用的锯齿波电信号峰值电压为7V，重复频率为10GHz；而第二组长移频所使用的锯齿波电信号峰值电压为7V，重复频率为5GHz。

初始输入光信号的波长λ₁＝1550.00nm，经过第一级移频后得到的光信号的波长λ₂=1550.08nm，之后λ₂送入第二级移频器继续移频，得到的输出光信号波长λ₃=1550.12nm，满足精度要求结束移频，光信号被送入后面的滤波器。此时，相对于之前13nm的波长偏移，移频后仅存的1nm的偏差是可以接受的，从移频效果上来看波长也得到了较好的矫正。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.ROADM节点输入光信号的波长矫正方法，其特征在于，包括以下步骤:

根据ROADM的输入光信号中心波长与ROADM的设计中心波长λ_c之间的偏差Δλ确定输入光信号的移频总量Δf，

c为光速；

根据所述移频总量Δf确定对输入光信号进行移频的级数A；

每一级移频操作中，利用重复频率为F的连续锯齿波电信号作为驱动电信号驱动电光相位调制器对输入光信号的中心波长进行移频操作，使输入光信号中心波长接近ROADM的设计中心波长λ_c，每次移频量为Δf_i，

其中λ_i-1为第i次移频前的光波长，λ_i为第i次移频后的光波长，λ₀为原始输入光信号波长，i＝1，2,3,…,A；每一级移频所使用的连续锯齿波电信号的重复频率F不同；

所述连续锯齿波电信号的最大电压值为：在驱动电信号作用下所述电光相位调制器产生最大相移时的电压值。

2.如权利要求1所述的ROADM节点输入光信号的波长矫正方法，其特征在于，

n=0，1，2……；

所述连续锯齿波电信号的最大电压值为V_π的整数倍，V_π为所述电光相位调制器的半波电压值，即所述电光相位调制器改变π相位时所需施加的驱动电压值。

3.如权利要求1所述的ROADM节点输入光信号的波长矫正方法，其特征在于，当A>1时，前一级移频所使用的锯齿波型驱动电信号的重复频率小于后一级移频所使用的重复频率。

4.ROADM节点输入光信号的波长矫正移频器，其特征在于，包括：

锯齿波电信号发生器，产生重复频率为F的连续锯齿波电信号作为电光相位调制器的驱动电信号，所述连续锯齿波电信号的最大电压值为在驱动电信号作用下电光相位调制器产生最大相移

的电压值；

电光相位调制器，加载所述驱动电信号对输入光信号中心波长进行移频Δf_i，使输入光信号中心波长λ_i接近期望中心波长λ_i-1， $\mathrm{\Δ}{f}_i=-\frac{c}{{{\mathrm{\λ}}_{i-1}}^2}({\mathrm{\λ}}_i-{\mathrm{\λ}}_{i-1}),$ c为光速。

5.ROADM节点，其特征在于，包括若干如权利要求4所述的移频器，所述移频器依次串联设置在ROADM节点的滤波器前端。

6.如权利要求5所述的ROADM节点，其特征在于，所述移频器的数量至少为两个，且前一级移频器中锯齿波电信号的重复频率小于后一级移频器中锯齿波电信号的重复频率。

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