CN113746543B - 一种光信噪比osnr和色散cd的监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，包括：泵浦信号源、光信噪比模拟模块、可调色散模拟器、一阶偏振模色散模拟器、掺铒光纤放大器、连续波激光源、偏振控制器、高非线性光纤、第一窄带光学滤波器、第二窄带光学滤波器、第一光学功率计和第二光学功率计；所述泵浦信号源、光信噪比模拟模块、可调色散模拟器、一阶偏振模色散模拟器、掺铒光纤放大器依次连接；所述连续波激光源连接偏振控制器；所述高非线性光纤的输入端与掺铒光纤放大器和偏振控制器分别连接，输出端与第一窄带光学滤波器和第二窄带光学滤波器分别连接；第一窄带光学滤波器与第一光学功率计连接；第二窄带光学滤波器与第二光学功率计连接。本发明可监测范围广，精度高。

Description

一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置及方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置及方法。
背景技术
在过去的十年里，光纤通信经历了巨大的发展，主要是由于对光纤高容量的需求呈指数级增长，特别是由于互联网流量中用户数量和每个用户消耗的带宽的增加。光网络的体系结构不断变得更加复杂、透明和动态，并且容易受到光链路中传输损伤的影响。为了提供有关实时光网络的健康信息，集成有效的监测机制非常重要。
光学性能监测(OPM)技术可以用于监测动态光学网络中的损伤。如今，大部分光学损伤来自放大器自发辐射(ASE)噪声、色散(CD)、偏振模色散(PMD)等。诸如差分相移键控(DPSK)或差分正交相移键控(DQPSK)信号的相位调制信号比强度调制信号具有更高的色散容差和频谱效率，并且非常适合于高速光通信系统。因此，对于这样一个多样化的网络来说，一种有效的OPM技术是有利的，它可以用于各种格式和速率的多重损伤监测，并且是低损耗的。由于速率可扩展潜力、低速光功率检测、潜在的更高灵敏度和无需高速电路要求的优势，研究人员对非线性技术表现出浓厚的兴趣。作为非线性效应之一，交叉相位调制(XPM)在OPM被发现具有重要价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置及方法，旨在解决对光信噪比和色散同时监测以及范围不够广，监测准确性不够高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，包括：泵浦信号源、光信噪比模拟模块、可调色散模拟器、一阶偏振模色散模拟器、掺铒光纤放大器、连续波激光源、偏振控制器、高非线性光纤、第一窄带光学滤波器、第二窄带光学滤波器、第一光学功率计和第二光学功率计；所述泵浦信号源、光信噪比模拟模块、可调色散模拟器、一阶偏振模色散模拟器、掺铒光纤放大器依次连接；所述连续波激光源连接偏振控制器；所述高非线性光纤的输入端与掺铒光纤放大器和偏振控制器分别连接，输出端与第一窄带光学滤波器和第二窄带光学滤波器分别连接；所述第一窄带光学滤波器还与第一光学功率计连接；所述第二窄带光学滤波器还与第二光学功率计连接。
进一步的，还包括光谱分析仪，所述光谱分析仪与高非线性光纤的端口A连接。
进一步的，所述泵浦信号源产生信号包括非归零差分正交相移键控信号、归零差分正交相移键控信号、非归零差分相移键控信号、归零差分相移键控信号、非归零开关键控信号和归零开关键控信号。
进一步的，经过所述掺铒光纤放大器和所述偏振控制器的两信号耦合比为1：1。
进一步的，所述第一窄带光学滤波器和第二窄带光学滤波器的带宽均为1KHz。
进一步的，所述高非线性光纤的非线性系数为14.2(W-1·km-1)，色散斜率为0.08ps/nm2/km。
进一步的，所述第一光学功率计和第二光学功率计的最低探测功率小于-35dBm。
一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置的检测方法，包括：
将泵浦信号与单色连续波共同输入到监测装置，频率为fs的泵浦信号和频率为fp的单色连续波被耦合到一个高非线性光纤中；当在高非线性光纤中传播时，泵浦信号通过交叉相位调制效应调制单色连续波的电场；
泵浦信号的强度信息被嵌入单色连续波的电场中，探测光周围会产生许多新的频率分量，其中包含两个分量，一个是在时钟频率，即fp+Rb(Rb为泵浦信号的波特率，另一个在fp和fp+Rb之间的一个频率位置处；
使用所述光谱分析仪观察两个分量的输出频谱以及所述第一光学功率计和第二光学功率计测量两个分量的功率，并利用其比值进行光信噪比和色散的监测。
进一步的，所述将泵浦信号与单色连续波共同输入到监测装置前，还包括如下步骤：
使用光信噪比模拟模块、可调色散模拟器和一阶偏振模色散模拟器分别产生带有放大器自发辐射噪声、色散和一阶群延迟偏振模色散的失真泵浦信号；
使用偏振控制器将单色连续波信号的偏振状态设置为与泵浦信号相同；
再将处理过后的泵浦信号与单色连续波信号以1：1的耦合比耦合至所述高非线性光纤中。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明光信噪比和色散监测装置和监测方法实现了多种高速调制格式信号的光信噪比和色散的监测并且扩大了监测范围和动态范围。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2说明了同时监测OSNR和CD的原理概念。
图3是探测光的光谱随着ASE噪声和CD而变化的示意图；
图4是具有不同ASE噪声和CD值的输出信号的光谱；
图5是对OSNR监测效果图；
图6是对CD监测效果图；
图7是对OSNR和CD同时监测效果图；
图8是估计的功率比和实际功率比之间的精度分析；
图中，1-泵浦信号源、2-光信噪比模拟模块、3-可调色散模拟器、4-一阶偏振模色散模拟器、5-掺铒光纤放大器、6-连续波激光源、7-偏振控制器、8-高非线性光纤、9-光谱分析仪、10-第一窄带光学滤波器、11-第二窄带光学滤波器、12-第一光学功率计、13-第二光学功率计。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，包括：泵浦信号源1、光信噪比模拟模块2、可调色散模拟器3、一阶偏振模色散模拟器4、掺铒光纤放大器5、连续波激光源6、偏振控制器7、高非线性光纤8、光谱分析仪9、第一窄带光学滤波器10、第二窄带光学滤波器11、第一光学功率计12和第二光学功率计13。
在本实施例中，优选的，泵浦信号源的输出端连接所述光信噪比模拟模块，光信噪比模拟模块的输出端连接可调色散模拟器，可调色散模拟器的输出端连接一阶偏振模色散模拟器，分别以产生放大器自发辐射噪声、色散和一阶群延迟偏振模色散的失真泵浦信号，一阶偏振模色散模拟器的输出端连接掺铒光纤放大器，连续波激光源连接偏振控制器，在失真泵浦信号进入高度非线性光线之前，需要使用偏振控制器将单色连续波信号的偏振状态设置为与泵浦信号相同，掺铒光纤放大器输出端和偏振控制器的输出耦合到高非线性光纤的输入端，且耦合比为1：1，高非线性光纤的端口A连接光谱分析仪，第一窄带光学滤波器和第二窄带光学滤波器分别连接高度非线性光纤的输出端端口B，第一窄带光学滤波器和第二窄带光学滤波器分别连接第一光学功率计和第二光学功率计。第一光学功率计测得fp+Rb处的时钟频率分量的功率值P1，第二光学功率计测得fp和fp+Rb之间的某个频率位置处的功率的功率值P2。测得的P1、P2值以及其之比用于监测光信噪比和色散。
在本实施例中，监测时，将泵浦信号和单色连续波信号分为两路输入光信噪比和色散同时监测装置，频率为fs的泵浦信号和频率为fp的单色连续波被耦合到一个高非线性光纤中，当在高非线性光纤中传播时，泵浦信号通过交叉相位调制效应(XPM)调制单色连续波的电场。因此泵浦信号的强度信息被嵌入单色连续波的电场中。探针周围会产生许多新的频率分量，其中包含两个分量，一个时钟频率在fp+Rb，另一个在fp和fp+Rb之间的某个频率位置处。图2说明了同时监测OSNR和CD的原理概念。待信号由高非线性光纤输出时，使用光谱分析仪观察输出频谱，同时使用2个窄带光学带通滤波器和2个光学功率计分别用于读取P1和P2的功率值，并利用其比值用于监测光信噪比和色散，与单独使用P1来监测光信噪比和色散进行比较。
在本实施例中，为了产生XPM效应所需的失真泵浦信号，使用光信噪比模拟模块、可调色散模拟器和一阶偏振模色散模拟器分别产生带有放大器自发辐射噪声、色散和一阶群延迟偏振模色散的失真泵浦信号。图3示出了具有不同ASE噪声和CD值的输出信号的光谱。从图3中(a)可以看出，随着ASE噪声的增加，即OSNR从28dB下降到16dB，P2继续上升，而P1继续下降。如图3中(b)所示，随着CD从0增加到110ps/nm，P1继续减少，而P2继续增加。P1和P2变化的相反趋势与上述理论是一致的。
为了说明本发明光分量功率比具有更好的监测性能，图4示出了探测光的光谱如何随着ASE噪声和CD而变化的示意图。如图4中(a)所示，P1被定义为fp+Rb处的时钟频率的功率，而P2是fp和fp+Rb之间的某个频率位置处的功率。一方面，如图4中(b)所示，对于在固定输入平均功率下测试的信号，ASE噪声的增加意味着信号OSNR的减小。因此，P2总体上增加，而P1由于信号分量减少而减少。另一方面，随着色散加宽和削弱脉冲，泵浦信号的瞬时强度将减少XPM效应。如图4中(c)所示，增加CD将导致探头附近的频率频率分量增加(即P2增加)，并且时钟频率分量能量衰减(即P1减小)。随着OSNR和CD的增加，P1和P2总是保持相反的趋势。因此，功率比P1/P2将结合P1和P2的变化范围，并有一个更大的动态范围来用于监测。
为了测试信号格式可用性，本发明使用泵浦信号源以80Gb/s的速度分别产生NRZ/RZ-DQPSK、-DPSK和-OOK信号。其他设置保持不变。然后，利用P1和P1/P2分别监测OSNR和CD。
图5展示了OSNR监测性能。在图5中，对于使用P1/P2而不是P1的所有信号格式，在最大可测量OSNR和动态范围方面实现了更好的性能。根据常见的商用光纤功率计灵敏度，可以轻松检测到0.03dB的功率变化。在灵敏度0.03dB下，对于不同的信号格式，与仅使用P1相比，最大可测量的OSNR增加了4-9dB(即12.5-44％)，并且通过使用功率比(PR)(即0.8-417％)可以实现从0.12dB到22.71dB的动态范围改善。对于相位调制信号，P1/P2的性能总是比仅使用P1时好得多，RZ格式也比NRZ格式好得多。RZ-DPSK和RZ-DQPSK信号都获得了大约36dB的最大动态范围。然而，对于一般强度调制信号(开关键控OOK)，功率比方案的优势并不明显。在高速通信系统中，一般也更倾向于使用RZ格式的相位调制信号如DPSK或DQPSK。
图6展示了CD监测性能。最大可测量CD和动态范围用于评估P1和P1/P2之间的性能差异。在图6中，当CD从0变化到120ps/nm时，对于所有格式，P1/P2也比P1获得更好的性能。这里，灵敏度被定义为CD变化的每ps/nm输出值的变化。在灵敏度≥0.03dB/(ps·nm)下，使用P1/P2的最大可测量CD与仅使用P1用于不同信号格式时相比增加了21-60ps/nm(即87.5-111％)，这几乎是仅使用P1时的两倍。此外，可以实现从8.75dB到35.81dB(即47-169％)的动态范围(Output)。对于RZ-DPSK信号，动态范围获得的最大值为56.97dBm，监测范围为59ps/nm。对于RZ-DQPSK信号，动态范围为48.68dB，获得117ps/nm的最大监测范围。
此外，图7展示了OSNR和CD同时监测的性能，为了得到同时监测OSNR和CD的相关性，本研究使用多元非线性回归方法建立多项式，绘出了OSNR、CD和PR的拟合曲线。相关性多项式和相对系数矩阵在式(1)中给出。
Figure GDA0003742981870000081
Figure GDA0003742981870000082
在这个等式中，x，y和f(x，y)表示OSNR，CD和PR。可以看到，功率比随着OSNR的增加和CD的减少而增加。PR的最大值位于OSNR接近40dB，CD接近0的区域。对于OSNR(0-40dB)，CD(0-120ps/nm)和估计的PR和实际值之间的精度分析在图8中给出。当P1/P2远离0dB时，模型具有较高的精度。当P1/P2接近0dB区域时，由于绝对值非常小，偏差相对较大。模型的均方根误差(RMSE)为1.41。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，其特征在于，包括：泵浦信号源、光信噪比模拟模块、可调色散模拟器、一阶偏振模色散模拟器、掺铒光纤放大器、连续波激光源、偏振控制器、高非线性光纤、第一窄带光学滤波器、第二窄带光学滤波器、第一光学功率计和第二光学功率计；所述泵浦信号源、光信噪比模拟模块、可调色散模拟器、一阶偏振模色散模拟器、掺铒光纤放大器依次连接；所述连续波激光源连接偏振控制器；所述高非线性光纤的输入端与掺铒光纤放大器和偏振控制器分别连接，输出端与第一窄带光学滤波器和第二窄带光学滤波器分别连接；所述第一窄带光学滤波器还与第一光学功率计连接；所述第二窄带光学滤波器还与第二光学功率计连接；
所述泵浦信号源产生信号包括非归零差分正交相移键控信号、归零差分正交相移键控信号、非归零差分相移键控信号、归零差分相移键控信号、非归零开关键控信号和归零开关键控信号；还包括光谱分析仪，所述光谱分析仪与高非线性光纤的端口A连接；
所述光信噪比OSNR和色散CD的监测装置的检测方法，包括：
将泵浦信号与单色连续波共同输入到监测装置，频率为fs的泵浦信号和频率为fp的单色连续波被耦合到一个高非线性光纤中；当在高非线性光纤中传播时，泵浦信号通过交叉相位调制效应调制单色连续波的电场；
泵浦信号的强度信息被嵌入单色连续波的电场中，探测光周围会产生许多新的频率分量，其中包含两个分量，一个是在时钟频率，即fp+Rb，Rb为泵浦信号的波特率，另一个在fp和fp+Rb之间的一个频率位置处；
使用所述光谱分析仪观察两个分量的输出频谱以及所述第一光学功率计和第二光学功率计测量两个分量的功率，并利用其比值进行光信噪比和色散的监测。
2.根据权利要求1所述的一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，其特征在于，经过所述掺铒光纤放大器和所述偏振控制器的两信号耦合比为1：1。
3.根据权利要求1所述的一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，其特征在于，所述第一窄带光学滤波器和第二窄带光学滤波器的带宽均为1KHz。
4.根据权利要求1所述的一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，其特征在于，所述高非线性光纤的非线性系数为14.2（W-1·km-1），色散斜率为0.08ps/nm2/km。
5.根据权利要求1所述的一种光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，其特征在于，所述第一光学功率计和第二光学功率计的最低探测功率小于-35dBm。
6.根据权利要求1所述的光信噪比OSNR和色散CD的监测装置，其特征在于，所述将泵浦信号与单色连续波共同输入到监测装置前，还包括如下步骤：
使用光信噪比模拟模块、可调色散模拟器和一阶偏振模色散模拟器分别产生带有放大器自发辐射噪声、色散和一阶群延迟偏振模色散的失真泵浦信号；
使用偏振控制器将单色连续波信号的偏振状态设置为与泵浦信号相同；
再将处理过后的泵浦信号与单色连续波信号以1：1的耦合比耦合至所述高非线性光纤中。
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