CN103152098A - 一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法和装置，将输入的光信号分为两束，其中一束用于测量光信号的总功率，另一束用于测量光信号中的噪声功率，对其进行偏振分束，得到偏振方向相互垂直的两支路；其中一路加入时延；再将两支路的光信号合在一起，得到偏振态随频率变化的光信号；调整起偏器的偏振角，使得一些频点完全干涉相消，得到包含噪声功率信息的光谱；根据所得到的光信号的总功率和噪声功率计算光信噪比。本发明能够检测动态光网络及高速光纤通信系统中信号的OSNR，检测范围从9dB到35dB，不受信号偏振态、光纤色散和偏振模色散的影响，对信号调制格式和传输速率透明，弥补了现有OSNR检测方法的不足。

Description

一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法和装置

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法和装置。

背景技术

OSNR（Optical signal to noise ratio，光信噪比）是衡量光通信装置和网络中光信号性能的重要参数之一。在光网络的配置、优化、预警及日常检测与维护中，都需要检测OSNR。目前商用的OSNR检测模块都是基于传统的带外OSNR检测的方法，即对信号和噪声功率分别在不同的频率范围处进行测量（即噪声功率在波分复用装置信道间测量）。随着频谱利用率越来越高、密集波分复用装置中可重置光分插复用器等器件的引入以及不同信道的信号经过的路由和滤波器的不同，导致噪声频谱不再平坦，信道间噪声功率不再能代表真实的噪声功率，因此，传统的带外OSNR测量方法不再适用于当前先进的光网络装置。

近年来，人们提出了几种带内OSNR检测方法，包括：（1）偏振置零法，它是在信号为完全线偏振光而噪声是完全非偏振光的前提下，通过旋转偏振片得到最大和最小输出光功率，从而计算出OSNR，该方法与装置的传输速率及调制格式无关，但是会受到偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）及双折射效应的影响，对于偏振模色散存在的装置，会有较大的测量误差；（2）马赫-曾德尔干涉仪法，它是基于信号光的相干性高和噪声不相干的特性，通过测量干涉极大值和干涉极小值从而计算出OSNR，该方法不受色散、偏振模色散及噪声偏振态的影响，但是需要在测量前对相关系数进行修正，在实际操作中难度较大；（3）可重置波长选择开关法，该方法可以有效的测量高速信号的OSNR，但需要中断相邻信道的信息传输。

发明内容

（一）要解决的技术问题

针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何在不受信号偏振状态、光纤色散和偏振模色散的影响，动态地检测光网络中带内光信噪比。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法，所述方法包括：

A：将输入的光信号分为两束，其中一束用于测量光信号的总功率，另一束用于测量光信号中的噪声功率；

B：根据所述光信号的总功率和所述噪声功率计算光信噪比。

优选地，所述步骤A中测量光信号中的噪声功率具体包括：

A1：对所述用于测量光信号中的噪声功率的光信号进行偏振分束，得到偏振方向相互垂直的两支路；

A2：对所述偏振方向相互垂直的两支路中的一路光信号加入时延；

A3：将两支路上具有时延差的光信号，合在一起，得到偏振态随频率变化的光信号；

A4：对所述偏振态随频率变化的光信号，调整起偏角，使得一些频点处的光信号完全干涉相消，得到包含噪声功率信息的光谱。

为解决上述问题，本发明还提供了一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测装置，所述装置具体包括：

光耦合器、光功率测量单元、噪声功率测量单元和控制与运算单元；

其中所述光耦合器将输入的光信号分为两束，一束输入所述光功率测量单元，另一束输入到所述噪声功率测量单元；

所述光功率测量单元用于测量光信号的总功率；

所述噪声功率测量单元用于测量光信号中的噪声功率，包括：偏振分束器、时延线、偏振合束器、电控可旋转起偏器和光频谱监测模块；

所述控制与运算单元用于控制所述电控可旋转起偏器的偏振角，并根据所述光功率测量单元输出的光信号的总功率和所述噪声功率测量单元输出的噪声功率计算光信噪比。

优选地，所述偏振分束器用于对光耦合器输出的用于测量光信号中噪声功率的光信号进行偏振分束，得到偏振方向相互垂直的两支路。

优选地，所述时延线对所述偏振分束器输出的一支路光信号加入时延，使两支路产生时延差，得到具有时延差的两支路光信号。

优选地，所述偏振合束器用于将两支路上具有时延差的光信号合在一起，得到偏振态随频率变化的光信号。

优选地，所述电控可旋转起偏器用于调整所述具有时延差的两支路光信号的振幅大小，使得发生相消干涉频点处的两支路光的振幅相同。

优选地，所述光频谱检测模块用于得到相应的光谱信息并将所述光谱信息输入到所述控制与运算单元。

优选地，所述装置还包括光滤波器，在光信号进入所述光耦合器之前还经过所述光滤波器进行滤波。

（三）有益效果

本发明提出了一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法和装置，能够检测动态光网络及高速光纤通信系统中信号的OSNR，检测范围从9dB到35dB，测量误差在0.5dB以内，而且该方法不受信号偏振态、光纤色散和偏振模色散的影响，对信号调制格式和传输速率透明，弥补了现有OSNR检测方法的不足，适用于当前及未来的光网络。

附图说明

图1为本发明实施例一的一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法的流程图；

图2为本发明实施例一的一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法中步骤A的具体流程图；

图3为本发明实施例二的一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测系统组成示意图；

图4为本发明实施例二的一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测系统中两偏振时延线结构及其替换结构示意图；

图5为本发明实施例二的一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测系统中光频谱检测模块产生的频谱图；

图6为本发明实施例二的一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测系统测量OSNR与真实OSNR比较图；

图7为本发明实施例二的一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测系统不同PMD和不同CD测量信号的OSNR误差关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

本发明实施例一中提供了一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法，步骤流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤A：将输入的光信号分为两束，其中一束用于测量光信号的总功率，另一束用于测量光信号中的噪声功率。

其中将输入的光信号分为两束之前还包括对光信号进行滤波。滤波后的光信号经过分光比为γ的耦合器，将信号分为两束。

步骤A测量光信号中的噪声功率具体流程如图2所示，包括以下步骤：

步骤A1：对用于测量光信号中的噪声功率的光信号进行偏振分束，得到偏振方向相互垂直的两支路。

步骤A2：对偏振方向相互垂直的两支路中的一路光信号加入时延。对其中的一路光信号加入信号符号周期1~5倍的时延

使得两支路产生时延差，得到具有时延差的光信号。

步骤A3：将两支路上具有时延差的光信号合在一起，得到偏振态随频率变化的光信号。

步骤A4：调整起偏角，使得一些频点处的光信号完全干涉相消，得到包含噪声功率信息的光谱。通过调整所述偏振角度的大小，使得发生相消干涉频点处的两相干光的振幅相同，相消干涉频点处的光信号完全干涉相消，得到只包含噪声功率的信息。其中某些特殊的偏振态完全干涉相消时所对应的偏振角如表1所示。

表1某些特殊的偏振态完全干涉相消时所对应的偏振角

步骤B：根据光信号的总功率和噪声功率计算光信噪比。

光信噪比OSNR=（光信号的总功率-噪声功率）/噪声功率。

通过上述方法，能够检测动态光网络及高速光纤通信系统中信号的OSNR，检测范围从9dB到35dB，测量误差在0.5dB以内，而且该方法不受信号偏振态、光纤色散和偏振模色散的影响，对信号调制格式和传输速率透明，弥补了现有OSNR检测方法的不足，适用于当前及未来的光网络。

实施例二

为达到上述目的，本发明的实施例二中还提供了一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测装置，组成示意图如图3所示，具体包括：

光耦合器31、光功率测量单元32、噪声功率测量单元33和控制与运算单元34。

本实施例提供的一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测装置还包括光滤波器30，在光信号进入光耦合器之前还经过光滤波器进行滤波。

其中光耦合器31将输入的光信号分为两束，一束输入到光功率测量单元32，另一束输入到噪声功率测量单元33。

光功率测量单元32用于测量光信号的总功率，本实施例中用光功率计进行光功率的测量。

噪声功率测量单元33用于测量光信号中的噪声功率，包括：偏振分束器331、时延线332、偏振合束器333、电控可旋转起偏器334和光频谱监测模块335。

偏振分束器331用于对光耦合器输出的用于测量光信号中噪声功率的光信号进行偏振分束，得到偏振方向相互垂直的两支路。

时延线332对偏振分束器输出的一支路光信号加入时延，使两支路产生时延差，得到具有时延差的两支路光信号。

偏振合束器333用于将两支路上具有时延差的光信号合在一起，得到偏振态随频率变化的光信号。

其中将偏振分束器331、时延线332、偏振合束器333三者结合在一起，组成正交偏振态延时器330，其作用效果与一阶PMD模拟器或双折射光纤相同，因此可以用可调谐一阶PMD模拟器或长度可调的双折射光纤来代替，如图4所示。其中图4a为本实施例中使用的正交偏振态延时器组成示意图，可以替换为图4b中的PMD模拟器，还可以替换为图4c中的双折射光纤。

电控可旋转起偏器334用于调整具有时延差的两支路光信号的振幅大小，使得发生相消干涉频点处的两支路光的振幅相同。

光频谱检测模块335用于得到相应的光谱信息，并将其输入到控制与运算单元34。

由光频谱检测模块335得到的频谱信息输入到DSP芯片，即控制与运算单元34。控制单元输出控制信号使电控起偏器334的偏振角在0到180度内遍历并记录相应的频谱信息，比较所记录频谱信息中的最小功率值，从而得到干涉极小值P_min；光功率计测得的光功率同样也输入到DSP芯片，并记为P_total；根据公式

$\mathrm{OSNR}=10{\log }_{10}[\frac{\mathrm{\γ\βR}{P}_{\mathrm{total}}}{2(1-\mathrm{\γ})\mathrm{\η}{P}_{\min }}-1]$

可计算得到光信噪比OSNR，其中β为正交偏振态延时器330的输出信号与输入信号的功率的比值，R为光谱监测模块的响应度，η为光功率计的响应度。

本装置的工作原理如下：信号经图3所示的噪声功率测量单元发生干涉，对应频率满足ωΔT+Δφ(ω)＝(2k+1)π的那些频点干涉相消，其中Δφ(ω)＝φ_y-φ_x是频率为ω的信号光入射时两偏振态分量上的相位差，它与信号的偏振态密切相关，k为整数。调整起偏器的偏振角，使得发生相消干涉的频点处两相干光的振幅相同，使得这些频点信号完全干涉相消，从而只包含了噪声功率的信息，由此可推算出噪声功率，如图5所示。

光频谱检测模块335输出光谱表达式具体推导如下：

假设信号的频域表示为E(ω)，其偏振态用方位角θ(ω)和椭圆率ε(ω)表示，对应不同的频率，其偏振态不同，因此信号方位角和椭圆率为频率的函数，则入射信号光用琼斯矢量可表示为：

${\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{in}}=\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ϵ}+j\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ϵ}\\ \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ϵ}-j\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ϵ}\end{array}\right)E\left(\mathrm{\ω}\right)$

正交偏振态延时器330的传输矩阵可表示为：

$T=\sqrt{\mathrm{\β}}\left(\begin{array}{cc}\exp (-\mathrm{j\ω\ΔT})& 0\\ 0& 1\end{array}\right),$

假设起偏器偏振角为α，光频谱监测模块的响应度为R，推导可得输出光谱的表达式：

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\γ\βR}}{4}{\left|E\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2\{\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\cos \left(2\mathrm{\ϵ}\right)\cos \left(2a\right)+\sin \left(2a\right)\[\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\cos \left(2\mathrm{\ϵ}\right)\cos \left(\mathrm{\ω\ΔT}\right)+\sin \left(2\mathrm{\ϵ}\right)\sin \left(\mathrm{\ω\ΔT}\right)\]+1\}$

由公式可以看出，总存在一些频点，满足干涉相消的条件，调节起偏器偏振角α，使得完全干涉相消，从而使得该点只包含了噪声功率的信息。某些特殊的偏振态完全干涉相消时所对应的起偏器偏振角α如表1所示。

控制与运算单元34用于控制电控可旋转起偏器334的偏振角，并根据光功率测量单元32输出的光信号的总功率和噪声功率测量单元33输出的噪声功率计算光信噪比。

光信噪比OSNR=(光信号的总功率-噪声功率)/噪声功率。

本实施例中，干涉仪时延的大小会影响测量的精度。时延小，产生干涉相消的频点数太少，测量精度低；时延越大，测量精度越高，但对光频谱模块分辨率的要求的越高，综合考虑，一般选取时延的取值范围为1~5个符号周期。

对于不同传输速率、不同调制格式的传输系统，测量在不同传输条件下信号的OSNR，以验证本专利的测试性能。

1、不同传输速率、不同调制格式在背靠背传输下，加入大小不同的噪声，即输入不同的OSNR，测量相应的OSNR，并与真实的OSNR作对比，结果如图6所示。结果表明：该方法与传输速率和调制格式无关，在测量精度不高于0.5dB时，测量范围为9~34dB。

2、在10Gbit/s DPSK和40Gbit/s DQPSK系统中，输入的OSNR保持不变（DPSK选10dB，DQPSK取12dB），其中DQPSK（Differentialquadrature phase shift keying）为差分四相相移键控，DPSK（Differential phase shift keying）为差分相移键控，分别加入不同的PMD和CD（Chromatic Dispersion，色度色散），测量信号的OSNR，结果如图7所示，其中图7a为不同的PMD测量OSNR，图7b为不同的CD测量OSNR。加入的一阶PMD即差分群时延的范围为0到1个符号周期（R_s）；加入的CD是由不同的光纤跨段数来表示的，每跨段长60千米，光纤色散系数D=17ps/km·nm。可以看出：测量误差均小于0.5dB，表明：该方法与PMD和CD无关，即不受PMD和CD的影响。

通过使用上述装置，能够检测动态光网络及高速光纤通信系统中信号的OSNR，检测范围从9dB到35dB，测量误差在0.5dB以内，而且该方法不受信号偏振态、光纤色散和偏振模色散的影响，对信号调制格式和传输速率透明，弥补了现有OSNR检测方法的不足，适用于当前及未来的光网络。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测方法，其特征在于，所述方法具体包括：

A：将输入的光信号分为两束，其中一束用于测量光信号的总功率，另一束用于测量光信号中的噪声功率；

B：根据所述光信号的总功率和所述噪声功率计算光信噪比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中测量光信号中的噪声功率具体包括：

A1：对所述用于测量光信号中的噪声功率的光信号进行偏振分束，得到偏振方向相互垂直的两支路；

A2：对所述两偏振方向相互垂直的两支路中的一路光信号加入时延；

A3：将两支路上具有时延差的光信号合在一起，得到偏振态随频率变化的光信号；

A4：对所述偏振态随频率变化的光信号调整起偏角，使得一些频点处的光信号完全干涉相消，得到包含噪声功率信息的光谱。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将输入的光信号分为两束之前还包括对光信号进行滤波。

4.一种基于偏振干涉的带内光信噪比检测装置，其特征在于，所述装置具体包括：

光耦合器、光功率测量单元、噪声功率测量单元和控制与运算单元；

其中所述光耦合器将输入的光信号分为两束，一束输入所述光功率测量单元，另一束输入到所述噪声功率测量单元；

所述光功率测量单元用于测量光信号的总功率；

所述噪声功率测量单元用于测量光信号中的噪声功率，包括：偏振分束器、时延线、偏振合束器、电控可旋转起偏器和光频谱监测模块；

所述控制与运算单元用于控制所述电控可旋转起偏器的偏振角，并根据所述光功率测量单元输出的光信号的总功率和所述噪声功率测量单元输出的噪声功率计算光信噪比。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述偏振分束器用于对光耦合器输出的用于测量光信号中噪声功率的光信号进行偏振分束，得到偏振方向相互垂直的两支路。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述时延线对所述偏振分束器输出的一支路光信号加入时延，使两支路产生时延差，得到具有时延差的两支路光信号。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述偏振合束器用于将两支路上具有时延差的光信号合在一起，得到偏振态随频率变化的光信号。

8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电控可旋转起偏器用于调整所述具有时延差的两支路光信号的振幅大小，使得发生相消干涉频点处的两支路光的振幅相同。

9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光频谱检测模块用于得到相应的光谱信息并将所述光谱信息输入到所述控制与运算单元。

10.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光滤波器，在光信号进入所述光耦合器之前还经过所述光滤波器进行滤波。

Images