CN106330303B

CN106330303B - 一种光通道监测系统及方法

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Publication number: CN106330303B
Application number: CN201610479509.8A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·卡希尔; 克里斯多夫·S.柯本; 格伦·巴托里尼; 雅耶斯·亚萨帕拉
Original assignee: Ii - Vi Ltd
Current assignee: Ii - Vi Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: US20170005729A1; CN106330303A; US9628174B2

Abstract

本发明利用多端口光开关控制挑选一个特定的输入光信号到OCM进行信号处理，OCM包括一个可调谐光学滤波器和光电探测器，用来测量输入光信号的光谱，并提取输入光各个光通道（波长）的信息（比如功率、波长、OSNR）。OCM还包含一个处理器组件，处理器组件会生成一对输出控制信号，分别用来控制可调谐光学滤波器的波长扫描过程和控制多端口开关的设置。本发明的监控系统可精确测量每个光纤端口的功率等信息，测量速度快、精度高，且结构简单，成本较低。

Description

一种光通道监测系统及方法

技术领域

本发明涉及光通道监测器，尤其涉及带有光开关功能的光通道监测系统及方法。

背景技术

由于各种高传输应用需求，光网络系统建立起来，并用于提供语音，视频和数据信号的高效传输。其中一些光网络采用波分复用（WDM）来增加网络带宽，在WDM光网络系统中，多路光通道分别占用不连续的波长/频率，复用为一个光信号在单个光纤中传输。

长距离WDM光网络的错码率，除其它因素外，取决于每个通道的光功率和光信噪抑制比（OSNR）。例如光放大器模块用来降低OSNR，但同时在整个通道内会产生光功率波动。为了消除这个问题，WDM光网络通常会使用光通道功率监测器和/或光通道功率校正来保证最佳的光功率和最低的错码率。

多种方式的光通道监测器（OCMs）被开发出来实现这个功能，一般都用来配置在WDM系统中用来测量多波长，OCMs被放置在贯穿光网络的不同的位置上。每个光通道的光功率和从OCM到主机（例如一个网络管理系统（Network Management System ，NMS））的反馈被同时上报，用来优化每个通道的光功率、鉴别性能漂移、核实系统功能。

更复杂的网络可能采用密集波分复用系统（dense WDM，DWDM），支持大量的分离光纤（端口）通讯，每个端口支持多个光通道。用于这些DWDM系统的监控设备变得越来越昂贵，并且越来越耗时，需要多次测量每个信号，因为它们要经过系统中的许多光学元件。此外，在监控装置中可能出现一个或多个功率相对较低的信号，在测量系统存在自身产生的噪声下，很难精确测量其信号电平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光通道监测系统及监控过程的控制方法，在WDM系统中用于监测一系列的分离光纤端口，可精确测量每个光纤端口的功率等信息，测量速度快、精度高，且结构简单，成本较低。

本发明采用多端口光开关（例如N×1光开关）控制挑选特定的输入光信号到OCM（光通道监测器）进行信号处理。OCM包括一个可调谐光学滤波器和光电探测器，用来测量输入光信号的光谱，并提取输入光各个光通道（波长）的信息（比如功率、波长、OSNR等）。OCM还包含一个处理器组件，用来执行信息提取，同时会生成一对输出控制信号：第一控制信号和第二控制信号；第一控制信号用来控制可调谐光学滤波器的波长扫描过程，进行波长通道选择；第二控制信号用来控制多端口光开关的设置，进行端口选择。

在本发明的一个实施例中，处理器组件控制光开关光学阻塞（关闭）所有输入端口到输出端口的传输（例如，产生一个“暗”通道输入到OCM）。暗通道输入用来测量OCM电子模块内偏移和噪声的实时水平，从而，提供了一个基线噪声因子，可用于校正后续的监测操作，并对每个通道的功率进行准确的测量，特别是在低功率情况下非常有用。

本发明的另一个实施例中，还包括一个单独的参考波长光源，耦合到多端口光开关的一个选定的输入端口上，用来执行的OCM自校准，必要时，以克服可能发生在可调谐光学滤波器中的波长漂移。

特别的，利用单处理器组件控制多端口光开关和可调谐光学滤波器的操作，可以执行几个不同的维护/校准操作。例如，除了波长漂移校正，处理器组件还可以用来监控可调谐光学滤波器的输出光功率水平，以及提供调整可调谐光学滤波器的控制信号。类似的，还可以用来监控多端口光开关的输入端口与输出端口之间的光学对准（耦合），必要时提供一个反馈（控制）信号用于重新对准一个或多个信号路径，以获得一个选定的输入端口与输出端口之间的最佳耦合。

在一个特定的实施例中，本发明采用的光通道监测系统的结构，包括以下内容：(1)一个多端口光开关，包括多个输入端口和一个输出端口，每个输入端口接收一个光输入信号（每个光输入信号包括一个或多个单波长通道），且多端口光开关可以控制从所述多个输入端口中选择一个输入端口耦合到输出端口；(2)一个可调谐光学滤波器，耦合到多端口光开关的输出端口，并接收光输入信号，可调谐光学滤波器配置以在不同的时间点选择性地通过不同的波长通道；(3)一个光电探测器，耦合到可调谐光学滤波器的输出端，负责把各个波长通道的光信号转换为电信号；(4)一个处理器组件，用于接收所述电信号，并从电信号提取光学特性数据以监控光信号的性能。处理器组件进一步配置以产生一个第一控制信号作为控制多路光开关输入端口的选择，还产生一个第二控制信号作为控制可调谐光学滤波器对波长通道的选择。

本发明的另一个实施例，多端口环境下光通道监测过程的控制方法，此方法包括如下步骤：a)在光通道监测器输入端提供一个多端口光开关，多端口光开关包括多个输入端口和一个输出端口，多个输入端口用于接收多个不同的光信号；b)控制多端口光开关将一个选定的输入端口耦合到输出端口；c) 将所选择的光信号导入到光通道监测器的输入端；d)在光通道监测器中，可调谐光学滤波器选择一个中心波长输出；e)测量所选定的光信号内选定的中心波长的光功率；f)重复步骤d)和步骤e)，以测量所选定的光信号内的一组波长的光功率；g)控制多端口光开关，耦合其它不同的输入端口到输出端口；h) 对多端口光开关的一个或多个输入端口重复步骤b)~g)，。

本发明的其他的进一步实施例和功能，参照所附图参考，将在下面讨论的过程中说明。

附图说明

图1 是本发明的一种典型结构，包括一个光开关的光通道监测器（OCM）；

图2是图1结构中的OCM的一种典型的流程图，说明了一个示例性的工序过程；

图3是低增益结构中，每通道噪声误差(图(a))和总功率噪声误差(图(b)) 示意图；

图4是高增益结构中，每通道噪声误差(图(a))和总功率噪声误差(图(b))示意图；

图5是本发明的另一种OCM结构，在这种情况下还包括一个参考波长光源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

图1是本发明一种典型的光通道监测系统10的表现形式，包含一个多端口光开关12，位于光通道监测器（OCM）14的输入端，在更复杂的光网络中，使OCM有着高效的性能，如支持DWDM和使用多个光信号路径。OCM 14包含第一模块16，用于接收输入光信号并提供与输入光信号相关的电信号输出。输入的光信号被认为是支持多个光通道的传输，每个通道工作在不同的波长。第一模块16包含可调谐光学滤波器18，用于接收输入的光信号，并扫描整个与该光信号相关一组光通道的预定的波长范围（或者，可能其透过中心波长被调节在与选定的光信号相关的特定波长上–如果有与通道相关的需要注意的问题/错误，也许“停滞”在一个特定的波长）。

从可调谐光学滤波器18输出的光信号作为输入信号传输到光电二极管（或其它类型的光电探测器20），它把光信号转换为相应的电信号。该电信号为原始数据频谱的形式，然后作为电信号输入到信号处理模块22上，信号处理模块在处理器组件24内。按照光通道监测器的常规操作，信号处理模块22是用来分析这个原始数据的频谱，并确定相关的光信号的特性（例如，输入光信号不同通道的功率、水平、波长OSNR等）。OCM 14把这些信息输出到终端控制模块，典型的如网络管理系统（network management system，NMS），用于控制/校正每个单独通道的特性。

本发明通过在OCM 14的输入端加入了多端口光开关12，利用处理器组件24控制多端口光开关12和OCM 14的操作，在某种程度上，提高了监控过程的效率，提高了传统OCM的操作性能。

多端口光开关有各种各样不同的形式，其中大多可以用于本发明的设备中。通常，多端口光开关12优选采用N×1光开关，有N个输入端口26，用于接收通信系统中传输的N个光信号，和一个输出端口28。多端口光开关12将输入端口28中一个选定输入端口耦合到输出端口28。光信号从输出端口28出来后，作为待测光信号提供给OCM 14的输入端。然后OCM14以如上所述的传统方式工作，在第一模块16中对每个通道进行光谱测量，然后用处理器组件24中的信号处理模块22从这个光谱数据中提取关于每个通道性能的相关信息。

如图1所示，OCM14中的处理器组件24还包括一个控制单元30。在本发明中，控制单元30是和信号处理模块22相通讯，用来生成两个输出控制信号，其中一个控制信号来控制可调谐光学滤波器18的操作，另外一个控制信号来控制多端口光开关12的操作。在本发明的优选实施例中，控制单元30设置为，所述两个输出控制信号可以以同步的方式运行，使得其可以控制多端口光开关12和可调谐光学滤波器18同时改变状态。

在图1中，控制单元30产生一个“通道选择”（或者叫“通道扫描”）控制信号S1，用来控制可调谐光学滤波器18，同时产生另外一个“端口选择”控制信号S2，用来控制多端口光开关12。控制信号S1指示可调谐光学滤波器18的具体操作，初步扫描包含在从可调谐光滤波器18输入端输入的光信号内的一系列特定的波长通道。由于可调谐光学滤波器18控制不同的波长组分通过，光电探测器20把接收到的每个通道的信号功率转换为电信号，让信号处理模块22来进一步分析处理（例如，中心波长、信号功率、OSNR等的测量）。这些信息可以存储在包含在处理器组件内的数据库内（图中未显示），和/或发送到主机（如网络监控系统（NMS）），作为额外的研究。

一旦一个给定输入端口的监控操作完成后，控制单元30会发送一个“端口选择”信号S2给多端口光开关12，命令多端口光开关12选择另一个输入端口来进行监控。尤其是，“端口选择”信号S2命令多端口光开关12重新配置，以耦合其他输入端口到输出端口28。在本发明中，控制单元30也被配置用来传输一个“通道选择”控制信号S1到可调谐光学滤波器18，在多端口光开关重新选择一个输入端口的情况下，命令可调谐光学滤波器对输入其输入端的“新”信号内的各通道相关的一些列波长发起一个新的扫描/选择。在一个优选实施例中，在多端口OCM环境中，控制信号S1和S2可以同时运行，以减少延迟，提高操作效率。

有利的是，采用单一的组件（即处理器组件24）来控制多端口光开关12和OCM 14，允许这两个功能共享计算资源，否则，可能要求他们各自有处理功能，这将使得整个监控系统体积增大、增加复杂性和费用（成本）。实际上，通过利用OCM 14的信号处理模块22来监测分析，控制单元30能够控制多端口光开关12的操作，使其“停滞”在一个可能遇到问题的特定的输入端口，并允许在较长的时间内对这个输入端口进行连续测量。另外，基于从（例如）网络管理系统接收到的信息，控制单元30可以控制多端口光开关12操作，使其对某些输入端口比其他输入端口进行更频繁的监控。

在本发明的优选实施例中，控制信号S1和信号S2是同步控制的，这样多端口光开关12从一个选定端口移到另一个选定端口和可调谐光学滤波器18重新设置中心波长是同步的。这样，使得这些不同步事件之间的延迟最小化，同时使得OCM 14的多端口监控能力最大化。

如上所述，单处理器组件结合OCM和多端口光开关的联合使用，提供了一种反馈装置，使得多端口光开关和可调谐光学滤波器的运行特性在必要时能够被监测和重新校准和/或调整。例如，将在下面详细讨论，可调谐光学滤波器里的波长漂移能够被确认，控制信号的输入用于重新设置波长直至合适的标准数值。同样的系统可以被用来优化可调谐光学滤波器的输出功率，以确保输入和输出信号之间的光学对准保持稳定。同样的，利用本发明中的处理器组件也可以监测多端口光开关的运行性能（在输出功率效率方面），和使用反馈控制信号重新调整各个光开关元件，必要时重新调整光路，使得多端口光开关输出最佳功率。

图2是图1中光通道监测系统10的操作流程图。过程从步骤100开始，一个特定的端口被选出来进行监测（在这种情况下，定义为“端口A”，开始值A=1）。在步骤110，多端口光开关12把特定的输入端口26-A耦合到输出端口28，这样把输入信号光提供给OCM 14进行监测。然后可调谐光学滤波器对这个光信号进行滤波（图2中的步骤120），这里，通道扫描/选择控制信号S1控制可调谐光学滤波器18扫描指定的光谱（或将中心波长设定到预定波长/通道上）。下一步操作是130，把可调谐光学滤波器输出的光信号转换为电信号。140步骤中，对电信号进行分析处理，然后提取原始光信号的信息，如功率、波长和OSNR等。步骤150，将上述光信号的信息存储在处理器组件24中，并/或发送到主机模块进行进一步分析，以及计算多端口光开关和可调谐光学滤波器所需的优化的电气控制信号。

进行到步骤160，激活控制单元30，产生一个“增加端口选择”信号。到步骤170时，发送一个“端口选择”控制信号S2到多端口光开关12（如“增加端口选择”），在步骤180时，发送一个“通道扫描/选择”控制信号S1到可调谐光学滤波器18。然后监测程序返回到步骤110。

图1中的光通道监测系统10拥有提升OCM 14精度的能力，方法是先利用“暗”输入确定系统的背景电子偏移和噪声水平，这样就可以生成一个基线噪声测量，然后从测量的光信号中去除这些基线噪声成分，为进一步的光信号的测量特性得到一个校正因子。也就是说，对任何输入多端口光开关12的输入端口26的通道进行监测之前，控制单元30发送一个“关闭”控制信号S2给多端口光开关12。多端口光开关12响应该信号，关闭所有输入端口26到输出端口28的耦合。结果，使得没有光信号输入到OCM14中。控制单元30也可能会让关掉可调谐光学滤波器18，那么就绕过了OCM 14的光学滤波特性。在这种情况下，OCM 14中的信号处理模块22会估算出一个“无光”基线噪声值。此后，可以从测量出的光信号值中去除该系统的基线噪声值，以提高光信号的测量精度，特别是对低功率的光信号尤其是这样。

测量基线噪声的能力，无需引入一个前端的直流水平，确保了更好的低功率性能。另外，这种“暗”测量方法，允许监测系统10在任何时间点进行自校准（取决于环境条件的改变、组件的老化等）。也就是说，控制单元30可以将“无光”控制信号发送到多端口光开关12和可调谐光学滤波器18上，定期对基线噪声测量进行更新测量，为在监控过程中保持准确的结果提供了有效的方法。

如图3，在这个例子中，结合低增益情况（通道功率在-20至-40dBm范围，ASE光源的功率水平在-40至-70dBm）说明了怎么利用噪声修正来改善性能。图3(a)是通道功率的测量误差示意图，误差值在典型的规格值范围±0.6dB内。没有校正过的功率误差数据（图中黑色点）和校正过的功率误差的点（浅色的点）显示在图3(a)中。没有校正过的和校正过的功率误差值都在行业极限内，很明显，随着功率的降低，没有校正过的点呈现向两边散开状，但是校正过的功率误差值基本还是保持在0值附近。

没有校正过的和校正过的功率测量的差异，在图3(b)中两个的总功率点图更清楚地显示出来。在没有任何校正的情况下，很明显，没有校正过的功率测量数据误差呈现非常快的增大，特别是在总功率降到-30dBm以下。

图4(a)和图4(b)和图3(a)和图3(b)相似，但这里是指在高增益的情况下（通道功率在-30至-50dBm范围，同样的ASE光源功率）。在高增益的情况下，通过噪声校正的测量值获得的改善更加明显。

图5是本发明的另外一种实施例方式，在这里，包含了参考波长光源40，它可以被用来检查OCM 14进行测量操作的准确性。特别是，参考波长光源40给OCM 14提供了一个输入参考，可用于进行实时的自校准，从而弥补OCM 14中组件（第一模块16）的光学元件和电学元件引起的变化，这些变化往往由于组件运行环境的变化和/或老化导致。

有利的是，本发明中，在OCM14的输入端包含多端口光开关12，为参考波长光源40耦合到系统中提供了一个简单的接入点。在多端口光开关12上把一个专用的输入端口（在这里显示为端口N）作为参考波长信号的输入端口，该设计简化了通常测量常规的输入信号和一个独立的参考波长所需的光学元件。如上面所提到的，利用单处理器组件控制OCM 14的操作和多端口光开关12的操作，使得能够不断地监测这两个组件的操作和调整/重新校准其操作参数（例如，功率优化）。例如，通过比较多端口光开关给定的输入端口的光功率和之前同个端口功率（之前的功率测量结果被存储在处理器组件中的存储器内），来重新校准多端口光开关12。如果测量到当前的光功率非常弱（太低），控制单元30会发出“重新校准”的控制信号到多端口光开关，启动一个在多端口光开关12内的光学调整，以调节给定的输入端口到输出端口之间的信号路径，直到获得最大的光耦合效率。可在可调谐光学滤波器18的输入端和输出端上使用相似的功率测量过程（方法），使其耦合效率最高。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims

1.一种光通道监测系统，其特征在于：包括：一个多端口光开关，包括多个输入端口和一个输出端口；一个可调谐光学滤波器，耦合到多端口光开关的输出端口；一个光电探测器，耦合到可调谐光学滤波器的输出端，负责把光信号转换为电信号；一个处理器组件，用于提取电信号数据信息和产生两个控制信号：第一控制信号和第二控制信号，两个控制信号分别用于控制可调谐光学滤波器的波长通道选择和多端口光开关的端口选择；所述第一控制信号和第二控制信号可以以同步的方式运行，使得其可以控制多端口光开关和可调谐光学滤波器同时改变状态。

2.如权利要求1所述光通道监测系统，其特征在于：所述处理器组件包括信号处理模块和控制单元；所述信号处理模块从光电探测器提取电信号数据信息，用于分析相应光通道的信息，并将分析结果反馈给控制单元；控制单元产生所述控制信号分别控制可调谐光学滤波器的波长通道选择和多端口光开关的端口选择。

3.如权利要求2所述光通道监测系统，其特征在于：所述控制单元产生的第一控制信号包含“通道扫描/选择”信号，用来控制通过可调谐光学滤波器的波长组分；所述第二控制信号包含“端口选择”信号，用来控制多端口光开关的端口选择。

4.如权利要求3所述光通道监测系统，其特征在于：所述第一控制信号还包含“关闭”控制信号，控制关闭可调谐光学滤波器的所有光通道。

5.如权利要求3所述光通道监测系统，其特征在于：所述第一控制信号还包含“功率优化”控制信号，用于调整可调谐光学滤波器内的光学对准，优化光学输出。

6.如权利要求3所述光通道监测系统，其特征在于：所述第二控制信号还包含“关闭”控制信号，控制多端口光开关关闭所有要进入可调谐光学滤波器的光信号端口。

7.如权利要求3所述光通道监测系统，其特征在于：所述第二控制信号还包含“功率优化”控制信号，用于调整多端口光开关内的光学对准，优化光学输出。

8.如权利要求1所述光通道监测系统，其特征在于：所述系统还包括一个参考波长光源，耦合到多端口光开关的一个输入端口上；所述处理器组件还产生一个第三控制信号，用于控制激活参考波长光源提供一个已知波长值的光信号给系统，让系统执行自校准来修正处理器组件接收到的待测光信号与已知波长值之间的差异。

9.一种多端口环境下光通道监测过程的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

a) 在光通道监测器的输入端口接入一个多端口光开关，所述多端口光开关包含多个输入端口和一个输出端口；所述光通道监测器包括：可调谐光学滤波器，耦合到多端口光开关的输出端口；和一个处理器组件，可产生两个控制信号：第一控制信号和第二控制信号，两个控制信号分别用于控制可调谐光学滤波器的波长通道选择和多端口光开关的端口选择；

b) 所述处理器组件控制多端口光开关选择一个输入端口耦合到输出端口；

c) 把选择出来的光信号接入到光通道监测器；

d) 所述处理器组件控制光通道监测器内的可调谐光学滤波器选择一个中心波长；

e) 在选择的光信号中，测量选择的中心波长的光功率；

f) 重复步骤d）和e），以测量所选定的光信号内的一组波长的光功率；

g) 所述处理器组件控制多端口光开关，耦合其它不同的输入端口到输出端口；

h) 对多端口光开关的一个或多个输入端口重复步骤b）-g）；

所述第一控制信号和第二控制信号可以以同步的方式运行，使得所述处理器组件可以控制多端口光开关和可调谐光学滤波器同时改变状态。

10.如权利要求9所述多端口环境下光通道监测过程的控制方法，其特征在于：还包括如下步骤：

i) 断开多端口光开关所有输入端口到输出端口的连接；

j) 在没有任何输入光信号的情况下测量可调谐光学滤波器输出的光功率；

k) 将步骤j）中测量出的光功率定义为基线噪声信号；

l) 在步骤e）中测量出的光功率中减去基线噪声信号。

11.如权利要求9所述多端口环境下光通道监测过程的控制方法，其特征在于：还包括自校准程序：把一个已知波长信息的参考光信号接入到多端口光开关的一个输入端口上；测量可调谐光学滤波器的输出端的光功率；与所述参考光信号比较，并重新校准光通道监测器，以修正测量值与参考光信号之间的差异。

12.如权利要求9所述多端口环境下光通道监测过程的控制方法，其特征在于：还包括自校准程序：对于多端口光开关给定的一个输入端口设置，测量可调谐光学滤波器输出端口上的光功率；在相同的输入端口设置的情况下，多次测量可调谐光学滤波器输出端口上的光功率，并相互比较；通过调整多端口光开关给定输入端口与输出端口之间的光学对准，来重新校准光通道监测器多端口光开关部分，使获得最大的测量光功率。

13.如权利要求9所述多端口环境下光通道监测过程的控制方法，其特征在于：还包括自校准程序: 对于多端口光开关给定的一个输入端口设置，测量可调谐光学滤波器输出端口上的光功率；在相同的输入端口设置的情况下，多次测量可调谐光学滤波器输出端口上的光功率，并相互比较；通过调整可调谐光学滤波器内的光学对准，直至可调谐光学滤波器的输入端与输出端具有最大的耦合效率，来重新校准光通道监测器可调谐光学滤波器部分，使获得最大的测量光功率。

14.如权利要求9所述多端口环境下光通道监测过程的控制方法，其特征在于：步骤d）中，可调谐光学滤波器选定一个中心波长后，停留在所选定的中心波长内，直至光通道监测器对该选定的中心波长测量结束，再扫描选定其他的中心波长进行测量。

15.如权利要求9所述多端口环境下光通道监测过程的控制方法，其特征在于：步骤d）中，可调谐光学滤波器在一个波长范围内扫描一个选定的中心波长。