CN109698719A - 一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，采用光信噪比检测装置，利用多模光纤干涉仪构建带阻滤波器，通过分析模光纤干涉仪前后光功率的变化，实现准确的光信噪比检测。通过上述方式，本发明提供了基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，得益于对带内噪声功率的检测，可以用在高速动态光通信网络中，此外，无需修改通信系统发射端，因此可以在不影响数据传输的情况下，实现对光信噪比的准确检测。

Description

一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法

技术领域

本发明涉及光纤传输技术领域，尤其涉及一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法。

背景技术

随着互联网技术的发展，光线系统通信数据量日益提升。为了满足当代互联网通信数据量的要求，高速动态光通信网络技术受到广泛关注。其中，高速动态光网络的实时性能检测，吸引了越来越多人的注意。在众多检测系数中，针对光信噪比（Signal-to-Noise-Ratio, OSNR）这一衡量系统通信性能关键参数的动态监测尤为迫切。对于早期单信道通信系统而言，光信噪比可以简单的通过光谱仪读取信号功率及带外噪声功率的方式获取。然而，随着通信系统波分复用技术以及动态光网络的普及，复用与解复用的过程会影响带外噪声功率，进而影响基于带外噪声功率检测的光信噪比监测性能。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，得益于对带内噪声功率的检测，可以用在高速动态光通信网络中，此外，无需修改通信系统发射端，因此可以在不影响数据传输的情况下，实现对光信噪比的准确检测。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，采用光信噪比检测装置，利用多模光纤干涉仪构建带阻滤波器，通过分析模光纤干涉仪前后光功率的变化，实现准确的光信噪比检测，具体步骤如下：

（1）、根据待测光通信系统，选择多模光纤干涉仪结构参数，构建中心波长与待测光信号相符合的带阻滤波器；

（2）、构建调试光通信系统，不断修改系统光信噪比，并利用带阻滤波器检测光信号经过多模光纤干涉仪前后的光功率变化；

（3）、利用调试系统中采集到的光信噪比以及光功率变化的样本数据，借助最小均方误差的方法，标定光信噪比与光纤干涉仪前后功率变化之间的函数关系；

（4）、将光信噪比检测装置放置于实际待测系统中，测量多模光纤干涉仪前后光功率比值，并借助步骤（3）标定的函数关系，估计当前待测系统的光信噪比。

在本发明一个较佳实施例中，所述的光信噪比检测装置由多模光纤干涉仪、前光功率计、后光功率计、和信号处理器组成，所述的前光功率计和后光功率计分别连接在多模光纤干涉仪的前后两端并分别与信号处理器相连接，由信号处理器计算光信噪比。

在本发明一个较佳实施例中，所述的多模光纤干涉仪构建带阻滤波器的方法：根据经典波导理论，光纤中多模式相干后的电场分布为

（1）

其中，表示经过长度为的传输后光纤端面的横向电场分布，表示传输距离，表示第个模式的横向电场分布，表示第个模式的幅度系数，表示0阶模式与1阶模式相干后的周期长度，写作

（2）

其中，表示光纤的纤芯折射率，表示光纤纤芯的有效宽度；

根据式（1）可知，多模光纤中，多个模式相加后，横向电场的相位分布与光信号频率有关，因此，通过调节多模光纤干涉仪的关键参数，即可构建中心波长与待测光信号中心波长一致的带阻滤波器。

在本发明一个较佳实施例中，利用光信号经过多模光纤干涉仪前后的光功率变化，估计待测信号光信噪比，为方便分析，定义经过多模光纤干涉仪前的信号光功率为P1，经过多模光纤干涉仪后信号光功率为P2，可以写作

（3）

其中，和分别表示带内信号功率和带内噪声功率，和表示多模光纤带阻滤波器的带内信号与噪声功率系数，由式（3）可知，光信噪比为OSNR，写成

（4）

其中

（5）

由式（5）可知，系统的光信噪比是光纤干涉仪前后信号功率比值的函数。

在本发明一个较佳实施例中，所述的光信噪比检测方法为简化估计过程，通过系统标定的方式，确定光信噪比OSNR与多模光纤干涉仪前后信号功率比值之间的关系，

根据式（4）可知，光信噪比是多模光纤干涉仪前后光功率的比值的函数，通过标定式（4）中的带阻滤波器系数和，即可得到OSNR与之间的关系，在实际使用前，先搭建调试系统，在调试系统中，不断改变系统光信噪比，利用光信噪比检测装置记录多模光纤干涉仪前后光功率的比值，进而得到一组OSNR和的测量结果，定义为和，根据公式（4）可知，和之间应该满足关系

（6）

根据调试系统中测得的样本数据和，利用最小均方差方法，可以标定多模光纤干涉仪构建的带阻滤波器参数，即

（7）。

本发明的有益效果是：本发明的基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，得益于对带内噪声功率的检测，可以用在高速动态光通信网络中，此外，无需修改通信系统发射端，因此可以在不影响数据传输的情况下，实现对光信噪比的准确检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1 是本发明基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法的一较佳实施例的流程图；

图2是一个具体实例中，基于多模光纤干涉仪的带阻滤波器频谱图；

图3是光信噪比检测装置结构示意框图；

图4是一个具体实例中，光信噪比与光功率比值的函数关系标定示意图；

图5是一个具体实例中光信噪比估计性能示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，采用光信噪比检测装置，利用多模光纤干涉仪构建带阻滤波器，通过分析模光纤干涉仪前后光功率的变化，实现准确的光信噪比检测，具体步骤如下：

（1）、根据待测光通信系统，选择多模光纤干涉仪结构参数，构建中心波长与待测光信号相符合的带阻滤波器；

（2）、构建调试光通信系统，不断修改系统光信噪比，并利用带阻滤波器检测光信号经过多模光纤干涉仪前后的光功率变化；

（3）、利用调试系统中采集到的光信噪比以及光功率变化的样本数据，借助最小均方误差的方法，标定光信噪比与光纤干涉仪前后功率变化之间的函数关系；

（4）、将光信噪比检测装置放置于实际待测系统中，测量多模光纤干涉仪前后光功率比值，并借助步骤（3）标定的函数关系，估计当前待测系统的光信噪比。

如图3所示，所述的光信噪比检测装置由多模光纤干涉仪、前光功率计、后光功率计、和信号处理器组成，所述的前光功率计和后光功率计分别连接在多模光纤干涉仪的前后两端并分别与信号处理器相连接，由信号处理器计算光信噪比。

实施例：

如图1所示， 一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，包括以下具体步骤：

（1）根据待测光系统参数，如，光信号中心波长，设计多模光纤干涉仪，构建中心波长与待测光信号相符合的带阻滤波器；

（2）构建调试光通信系统，将光信噪比检测装置置于光通信系统接收端，测量光信号经过多模光纤干涉仪之前后光功率的比值，不断更改调试光通信系统的光信噪比，标定多模光纤干涉仪前后光功率比值与系统光信噪比之间的关系；

（3）将光信噪比检测装置放置于待测光通信系统接收端，并测量待测光信号经过多模光纤干涉仪前后光功率的比值；

（4）根据步骤（2）的标定结果，利用步骤（3）测得的系统光功率变换，估计当前待测系统光信噪比。

这里以载波光信号中心波长为193.1THz的50GS/s QPSK调制系统为例，采用直径为40的多模光纤。根据经典波导理论，光纤中多模式相干后的电场分布为

（1）

其中，表示经过长度为的传输后光纤端面的横向电场分布，表示传输距离，表示第个模式的横向电场分布，表示第个模式的幅度系数。表示0阶模式与1阶模式相干后的周期长度，可以写作

（2）

其中，表示光纤的纤芯折射率，表示光纤纤芯的有效宽度。根据式（1）可知，多模光纤中，多个模式相加后，横向电场的相位分布与光信号频率有关。因此，通过调节多模光纤的长度，即可构建中心波长与待测光信号中心波长一致的带阻滤波器。这里，设置光纤长度为2.1cm,即可得到中心波长为193.1THz的带阻滤波器，其频谱如图2所示。

根据该多模光纤干涉仪，本发明提出的光信噪比检测装置如图3所示。这里，本发明方法考虑待测光信号带宽内的信号与噪声功率。因此，相比较于传统考虑带外噪声功率的光信噪比检测方法，本发明方法在高速动态光通信网络系统中具有更高的稳定性。这里，为检测带内信号及噪声功率的变化，本发明方法利用多模光纤干涉仪构建了与待测光信号中心波长一致的带阻滤波器。利用光信号经过多模光纤干涉仪前后光功率的变化，估计待测信号光信噪比。为方便分析，这里定义经过多模光纤干涉仪前的信号光功率为，经过光纤干涉仪后信号光功率为，可以写作

（3）

其中，和分别表示带内信号功率和带内噪声功率，和表示带阻滤波器的带内信号与噪声功率系数。由式（3）可知，光信噪比为OSNR，可以写成

（4）

其中

（5）

由式（5）可知，系统光信噪比是多模光纤干涉仪前后信号功率比值的函数。

为测得式（4）中多模光纤干涉仪的关键参数和，光信噪比检测装置需要预先调试，标定关键参数和。在调试系统中，不断改变系统光信噪比，利用光信噪比检测装置记录多模光纤干涉仪前后光功率的比值，进而得到一组OSNR和的测量结果，这里定义为和，如图4所示。根据公式（4）可知，和之间应该满足关系

（6）

根据调试系统中测得的样本数据和，利用最小均方差方法，可以标定多模光纤干涉仪构建的带阻滤波器参数，即

（7）

根据图4中测得的样本数据，本实例中和的标定值为

。

如图4所示，标定后公示（4）所示OSNR与之间的函数关系与调试结果非常吻合。因此，在本实例中，可知

（8）

根据式（8）标定得到的光信噪比计算公式，将光信噪比检测装置置入待测光通信系统接收端，测得光纤干涉仪前后光功率比值后，即可带入式（8），计算当前时刻光信噪比。图5给出了本实例中，不同条件下，光信噪比估计性能。如图5所示，光信噪比检测装置可以准确的估计待测系统光信噪比，并具有较大的动态范围。

利用调试系统标定光信噪比OSNR与干涉仪前后光功率比值之间的关系式后，将光信噪比检测装置置于实际待测系统接收端。通过测量待测光信号经过多模光纤前后光功率的比值，利用已标定的关系式即式（4），计算当前待测系统的光功率。

综上所述，本发明的基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，得益于对带内噪声功率的检测，可以用在高速动态光通信网络中，此外，无需修改通信系统发射端，因此可以在不影响数据传输的情况下，实现对光信噪比的准确检测。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，其特征在于，采用光信噪比检测装置，利用多模光纤干涉仪构建带阻滤波器，通过分析模光纤干涉仪前后光功率的变化，实现准确的光信噪比检测，具体步骤如下：

（1）、根据待测光通信系统，选择多模光纤干涉仪结构参数，构建中心波长与待测光信号相符合的带阻滤波器；

（2）、构建调试光通信系统，不断修改系统光信噪比，并利用带阻滤波器检测光信号经过多模光纤干涉仪前后的光功率变化；

（3）、利用调试系统中采集到的光信噪比以及光功率变化的样本数据，借助最小均方误差的方法，标定光信噪比与光纤干涉仪前后功率变化之间的函数关系；

（4）、将光信噪比检测装置放置于实际待测系统中，测量多模光纤干涉仪前后光功率比值，并借助步骤（3）标定的函数关系，估计当前待测系统的光信噪比。

2.根据权利要求1所述的基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，其特征在于，所述的光信噪比检测装置由多模光纤干涉仪、前光功率计、后光功率计、和信号处理器组成，所述的前光功率计和后光功率计分别连接在多模光纤干涉仪的前后两端并分别与信号处理器相连接，由信号处理器计算光信噪比。

3.根据权利要求1所述的基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，其特征在于，所述的多模光纤干涉仪构建带阻滤波器的方法：根据经典波导理论，光纤中多模式相干后的电场分布为

（1）

其中，表示经过长度为的传输后光纤端面的横向电场分布，表示传输距离，表示第个模式的横向电场分布，表示第个模式的幅度系数，表示0阶模式与1阶模式相干后的周期长度，写作

（2）

其中，表示光纤的纤芯折射率，表示光纤纤芯的有效宽度；

根据式（1）可知，多模光纤中，多个模式相加后，横向电场的相位分布与光信号频率有关，因此，通过调节多模光纤干涉仪的关键参数，即可构建中心波长与待测光信号中心波长一致的带阻滤波器。

4.根据权利要求1所述的基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，其特征在于，利用光信号经过多模光纤干涉仪前后的光功率变化，估计待测信号光信噪比，为方便分析，定义经过多模光纤干涉仪前的信号光功率为P1，经过多模光纤干涉仪后信号光功率为P2，可以写作

（3）

其中，和分别表示带内信号功率和带内噪声功率，和表示多模光纤带阻滤波器的带内信号与噪声功率系数，由式（3）可知，光信噪比为OSNR，写成

（4）

其中

（5）

由式（5）可知，系统的光信噪比是光纤干涉仪前后信号功率比值的函数。

5.根据权利要求4所述的基于多模光纤干涉仪的光信噪比检测方法，其特征在于，所述的光信噪比检测方法为简化估计过程，通过系统标定的方式，确定光信噪比OSNR与多模光纤干涉仪前后信号功率比值之间的关系，

根据式（4）可知，光信噪比是多模光纤干涉仪前后光功率的比值的函数，通过标定式（4）中的带阻滤波器系数和，即可得到OSNR与之间的关系，在实际使用前，先搭建调试系统，在调试系统中，不断改变系统光信噪比，利用光信噪比检测装置记录多模光纤干涉仪前后光功率的比值，进而得到一组OSNR和的测量结果，定义为和，根据公式（4）可知，和之间应该满足关系

（6）

根据调试系统中测得的样本数据和，利用最小均方差方法，可以标定多模光纤干涉仪构建的带阻滤波器参数，即

。 （7）。