CN1203631C - 波分复用(wdm)信号监视器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于测量WDM信号成分的光功率和/或波长的WDM信号监视器(4)。该信号监视器包含：一个波长可选择的光源(20)，其优选地是波长可调的激光器，可用于在已知可选波长上产生光输出；一个被施加所述光输出和WDM信号的光接收机(24)，它可用于产生一个电信号，其频率代表WDM信号成分和光输出之间波长的差值；以及根据所述电信号的幅度判定WDM信号成分的功率的装置(22)，以及根据所选波长和所述电信号的频率判定该成分的波长的装置(22)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量WDM信号成分的光功率和/或波长的WDM监视器。本发明更特别涉及一种用于测量WDM、密集波分复用(DWDM)和超密集波分复用(UDWDM)光通信信号的组成成分、通道的光功率和/或波长的光信号监视器。
背景技术
对更高通信能力的要求导致了更高带宽的光纤通信系统的发展。为了更有效地使用可用的光带宽，导致了沿单独一根光纤传送多个独立调制光载波的波分复用(WDM)光纤通信系统的发展。该多个光载波被称为一个WDM梳(comb)。
随着技术的发展，载波，即通常所说的通道的数目当前已增加到100或者更多，伴随着每个载波上的数据速率到达10GBs-1。预计数据速率将上升并很快达到40GBs-1或更高。同时，光载波间隔将由1.6nm(这相当于200GHz的频率间隔)下降到0.8nm(100GHz)，并预期会进一步下降到0.4nm(50GHz)。一个拥有25GHz载波间隔的WDM系统可以被称为DWDM，而载波间隔低于25GHz的系统可以被称为UDWDM。
随着光通信系统从单一的点对点系统发展到有光放大器的系统，再到可以在一个或多个远端节点分或插特定波长的系统，因此对每个载波波长的精确控制的要求提高了，例如，为了防止一个数据通道与另外一个通道的性能失配。类似的，由于多种系统的原因，在一个梳内的载波幅度期望可以维持在一个相对窄的范围内。在光放大系统内，放大的自发发射(ASE)噪声可以降低光信噪比，后者被定义为距离该信号某个波长偏移的信号功率与噪声功率的比值。ASE的增加可以指示一个放大器变得故障，并且因此，为了监视系统的“健康”，而期望监视光信噪比。
为了测量各种光参数，即WDM信号组成成分的功率和波长以及光信噪比，建议了多种实现方法。在所有的情况下，在WDM系统选定的一点上分接出一小部分光信号并用于光信号监视设备。为了减少光监视设备的数量，众所周知的方法是将来自一个系统上的几个不同点或来自不同系统的点的光信号交换到一台监视设备上。其结果是，监视设备需要有能力工作在整个系统波长和光功率范围内。
典型的电信运营商要求15年的设备寿命。对于光信号监视器(OSM)，这意味着在此期间内不需要校准。一种已知的OSM包含一个带有前置可调光滤波器的光电二极管，使得被监视的光信号通过滤波器传到该光电二极管。通过可调滤波器的控制参数的值可以知道到达该光电二极管的波长，在该波长上的光信号的光功率可以由当前光电二极管的输出电流判定。使用这种OSM的问题在于要获得有足够选择性的光滤波器，使得有效地抑制来自相邻通道的光。为了增加光滤波器的选择性，已知的方法是安排光信号经双通路通过该滤波器。然而采用这种安排，则从滤波器的前面反射来的光就可能在测量中引入误差。
还已知包含一个衍射光栅或一个组合有线性光电二极管阵列的炫耀布喇格(Bragg)光栅。衍射元件用于分离光，使不同的波长入射到线性光电二极管阵列的不同单元上。作为结果，每个单元为一个给定的小波长带宽检测光功率。使用这样的OSM可以同时检测全部光谱。然而，衍射光栅具有固有的偏振敏感性，这是个很难克服的问题。另外，当被衍射的光落在光电二极管阵列的相邻单元之间时，这样的OSM容易丢失谱信息。
在任何使用光电二极管阵列的监视系统中，被检测的光电流与未冷却的光检测器的暗电流幅度相似。已知要冷却阵列以便保持低的暗电流。然而，冷却大大增加了电功率消耗。一种已知的选择是周期性地阻塞输入光并测量暗电流以允许进行校正。这样会有害地影响光监视设备的可靠性。
当已知光功率监视设备制造好以后，该设备的波长范围和分辨率是固定的，这样今后就很难针对DWDM和UDWDM系统扩展其操作。
发明内容
因此存在对这样一种光功率监视器的需求，该监视器具有增加的灵敏度、选择性、波长范围和操作的灵活性。
本发明尽力提供一种用于WDM、DWDM和UDWDM光通信信号的光功率监视器，它至少部分地克服了已知光功率监视器的局限性。
按照本发明，提供一种用于确定波分复用WDM光信号的波长信道的波长和功率的WDM光信号监视器，所述WDM光信号包括在波长频谱上间隔开的多个波长信道，该监视器包含：一个波长可选择的光源，用于在所述波长频谱上间隔开的多个离散波长之一处选择性地产生光辐射；一个被施加所述光辐射和WDM光信号的光接收机，该光接收机用于外差该光辐射和WDM光信号以产生一个电信号，其频率代表波长信道的至少一个波长信道和该光辐射之间波长的差值；以及用于检测所述电信号的存在并测量所述电信号的幅度的装置，所述装置用于根据所测量的电信号的幅度而确定导致该电信号的所述至少一个波长信道的功率，以及其中该装置还用来在检测到该电信号存在时，确定所述至少一个波长信道的波长，且所述至少一个波长信道的波长被取为与当前由光源产生的光辐射的波长相应。
本发明的信号监视器的特定有利之处在于，其能够使用一个以离散波长产生辐射的光源，而不是一个连续的波长可调谐源，以及通过将所检测的波长信道的波长取为对应于所选择的波长，这便消除了实际使用例如波长计来测量波长的需要。
有利地，该信号监视器可操作来产生在该多个离散波长的每个波长的光辐射，且在所述多个离散波长的每个波长处确定引起所述电信号的所述至少一个波长信道的波长和功率，由此而确定该WDM光信号内所有波长信道的波长和功率。
有利地，该信号监视器还包括频率测量装置，用于测量该电信号的频率，以及其中用于确定波长的装置可操作以根据测量的频率和当前由光源产生的光辐射的波长来确定所述至少一个波长信道的波长。这样的安排使得能够作出载体波长的更精确的确定。
优选地，光接收机包含一个带通滤波器，其中选择该滤波器的通带，以便允许与一个波长信道相对应的电信号通过。通过这样的安排，由光源产生的离散波长的波长间隔被选择为小于该滤波器的通带。例如，在一种安排中，供一个具有100GHz的波长信道间隔的WDM信号使用，带通滤波器具有200-1400MHz的通带，而光源产生的离散波长具有625MHz的间隔。
有利地，该监视器还包括一个偏振扰频器，用于在将光辐射加到光接收机之前对该光辐射的偏振加扰。有利地，在把WDM信号和光辐射加到光接收机之前使用匹配的3dB光组合器组合该WDM信号和光辐射。
在一个特定的优选实施例中，光接收机包含一个平衡的光电转换器，诸如举例而言，串联连接的光电二极管，以及该光组合器的各个输出被加到各自的光电转换器。
优选地，光源是一个波长可选的激光器。有利地，该激光器包括用于检查至少一个离散波长的光辐射的波长的波长检查装置和响应于所述波长检查装置而控制激光器将光辐射维持在至少一个波长上的控制装置。
优选地，该信号监视器还包含用于测量光辐射的光功率的功率监视装置，以及其中用于确定所述至少一个波长信道的功率的装置使用测量的光功率和测量的电信号的幅度来确定所述至少一个波长信道的功率。这样的安排使得能够甚至在光源以不同的离散波长产生不同的光辐射时被精确地确定。
为了经济，优选地使用单一光源来操作多个WDM光信号监视器。
附图说明
现在仅以实例的形式，结合附图对按照本发明的光信号监视器进行描述，其中：
图1是按照本发明、用于测量WDM光通信信号组成成分的光功率和波长的一种WDM信号监视器的示意图；
图2是按照本发明的一种优选实施方案的、WDM信号监视器的示意图；以及
图3是用于图2中WDM信号监视器的一种光电转换器的示图；
具体实施方式
参考图1，其中示出了WDM光通信系统2和光信号监视器(OSM)4。(OSM)4可用于测量WDM光通信信号组成成分的光功率、波长和光信噪比。在此实施方案中描述的光通信系统2是拥有100GHz载波间距和2.5GBs-1/10GBs-1数据速率的32/40通道的DWDM系统。可以理解，本发明的OSM同样适用于其他类型的WDM系统，如UDWDM系统。
多个监视点6在WDM系统2内所选的位置提供，在这些点从系统中分接出一小部分，典型地5％，的WDM光信号。监视点6基本上是不会严重影响WDM系统2的操作的非侵入分接点。来自N个监视点6的WDM光信号被用空分的形式一起会集到N:1的光空间交换器10。在图示的实施方案中，每个监视点6都由一根相应的单模光纤11连接到光空间交换器10。光空间交换器10可用于选择将被测量的WDM光信号。通过来自WDM系统管理总控制器14的控制输入12提供对光空间交换器10的控制。监视点6可位于WDM系统2的任意一点，例如，在发送机、接收机、分/插复用器、在线放大器等。可以理解，因此OSM 4有足够大的动态范围以覆盖WDM光系统2内所有可能的波长和光功率范围。
单模光纤16被连接到光交换器10的输出并向OSM 4提供光输入。OSM 4包含一个3dB的分光器(组合器)18、一个光本地振荡器(LO)单元20、一个控制器22和一个平衡的光电转换器(接收器)24。LO单元20、控制器22和平衡的转换器24各自被连接到数据总线26以便于彼此之间的通信。数据总线26还可由WDM总管理系统14接入，以允许和控制器20交换信息，例如，在选定的监视点6的分接率(即分接光的比率)，它是由控制器22为正确判定光功率而要求的。
将光纤16耦合到光组合器18的第一输入臂28。将LO单元20的光输出耦合到该组合器18的第二输入臂30，并将光组合器18的两个光输出32、34耦合到平衡转换器24的相应输入。光组合器18在形式上可以是光纤器件或者制造成一个例如硅或铌酸锂的波导器件。正如已知道的，3dB的分光器在它的输出之间相等地分离加到给定输入的光信号，并在输出之间引入π/2的相位差。由于本申请中的分光器的作用是将组合加到其输入的两个光信号，因而它将被称为光组合器。
在运行中，WDM总系统管理控制器14使用空间交换器10选择监视点6并将所选点的分接率传送给控制器22。LO单元20可用于产生光输出、本地振荡器信号，其波长循环地步进经过WDM信号窗口内的一系列选定波长。理想情况下，由LO单元22产生的光信号对于所有可选波长都具有已知的恒定强度(功率)。实际中，LO单元20的输出功率可以随时间改变并且对于所有可选波长可以不是恒定的。由于该原因，就象下面所要描述的那样，OSM4包括能够通过数据总线26将LO信号的功率传送给控制器22的功率监视装置。上述实施方案中的LO单元20以625MHz的步长交换。
出现在组合器18输入端28、30上的WDM光信号和LO光信号被相等地分离，使得每个信号的一半出现在输出端32、34。出现在组合器18输入端28、30上的WDM光信号和LO光信号被平均分离后，每个信号的一半出现在输出端32、34。这两个光信号被施加到平衡的转换器24的相应输入端，如下所述的，该转换器基本上包含两个串联连接的光电二极管36、38。每个光电二极管36、38产生一个电流，其幅度取决于WDM光信号和LO光信号的强度。由于光电二极管36、38是串联连接在一起的，所以来自自零拍过程的电流幅度相等，但极性相反并互相抵消，因此抑制任何共模信号施加到转换器24的输入端上。由带内零拍过程产生的电流从同相变化到反相，并因此产生中间频率(IF)。该IF频率代表WDM光信号和LO光信号之间波长的差值。由于LO单元20是步进通过其可选波长的范围的，因而测量了IF信号的频率和幅度。可以理解，产生多个IF信号以对应WDM梳的波长和多个LO的波长之间的差值。为了限制取样信号的数目，接收机24的带宽限制为200～1400MHz。有了这样的通带并结合625MHz的步长，每个信号波长就被有效地4倍过采样。可以理解，如果需要的话，可以使用其他通带和步长以避免过采样。
控制器22按下述方式判定WDM光信号的备个组成成分的光功率和波长。对于每个LO波长，控制器22使用数据总线26向接收机24查询LO功率、IF频率和功率值。由于LO波长是已知的，控制器22可以利用测量的IF频率精确地判定WDM光信号中检测到的载波的波长。控制器22利用所测量的IF信号功率和LO功率来判定每一个载波的光功率。控制器22递增LO单元20到下一个波长并重复判定光功率和波长的过程。按照此方法测量WDM窗口内的所有光信号的波长和功率。如果需要的话，也可以利用光功率值和背景光功率的测量来计算光信噪比。本发明的OSM因而是以一种扫描光谱仪的形式。控制器22检查载波波长和光功率是在预置系统限制范围内，且将对此结果的确认传送给WDM总系统管理系统14。当所测的载波波长或光功率不在预置限制内时，控制器22警告WDM总系统管理系统14，该系统接着可以采取适当的动作。
参考图2～3，其中示出了依照优选方案的一种OPM4。在该实施方案中，如图2所示，LO单元20包含一个可调激光模块40、一个激光模块控制器42、一个波长参考单元44、一个偏振扰频器46和第一分光器48、50。激光模块40、模块控制器42和参考单元44与数据总线26相连。激光模块40含有一组波长可调的激光器、相关的电流源，有固定的和可变的，以及一个温度控制器。在该实施方案中，需要多种精度的电流源以选择模块40产生的光波长。可以理解，在其他实施方案中可使用不同类型的可调光源，它们使用不同形式的波长选择技术。对激光模块24，尤其是LO单元20的唯一要求是它产生可选波长的光，覆盖WDM窗口内的WDM光信号的波长范围。激光模块40产生的光输出被施加到偏振扰频器46上，以适应在进入WDM波长梳内可能存在的偏振的不同信号状态(SOP)。偏振扰频器46以相比接收机视频带宽更高的速率来对激光器的线性偏振光输出加扰。对LO的偏振加扰会允许使用一个简单的平衡接收机24。
由于当前可用的可调激光模块40不能保证在其工作持续时间内对给定温度产生有精确相同波长的光，故提供波长参考单元44。激光模块40产生的一小部分S％的光被分光器48分接并施加到波长参考单元44上。波长参考单元44可以仅仅依据稳定的光纤布喇格(Bragg)光栅或与珐布里-珀罗标准器相结合的稳定布喇格(Bragg)光栅或其他稳定波长的源。波长参考单元44的功能在于测量激光模块40产生的光波长和通过数据总线26向激光模块控制器42传递该信息。
激光模块控制器42含有用于使激光模块连续步进通过其波长系列的控制查找表。每个波长被建立并保持一段设定时间，并由该激光模块控制器42利用时间标志向控制器22指出波长已设定以及波长值。激光模块控制器42询问波长参考单元44以确认所选波长的精确度。如果观察到持续的波长差错，激光模块控制器就从业务中删除该激光模块40。
如前所述，为了判断WDM光信号光功率的绝对值，控制器22需要知道LO光功率。在图2的一种优选实施方案中，LO功率的一小部分V％在靠近接收机24的一点被第二分光器50分接并施加到LO功率监视器52上。LO功率监视器52方便地包含一个带有模数转换器(ADC)的低价、低频、高精度、直接耦合的光接收机，它可以对LO功率的组成提供精确估计。在接收到LO控制器的时间标志之后测量LO功率一段设定时间，以保证LO功率是稳定的并且检测到的功率电平达到满幅度。
参考图3，其中详细示出了光电转换器24。如前所述，光电二极管36和38串联连接在一起，即一方的阳极与另一方的阴极相连。通过适当的偏压网络54，两个二极管被相反偏压，使第一个光电二极管36偏置负电压而第二个光电二极管38偏置正电压。出现在光电二极管的相互连接56处的IF信号被一个低噪声放大器(LNA)58放大，而且通过带通滤波器64将放大了的IF信号并行施加到一个IF鉴频器60和IF功率检测器62上。IF鉴频器60可用来测量IF信号的频率，而IF功率检测器62可用来测量IF频率处的功率。鉴频器60和检测器62通过模数转换器(ADC)66连接到数据总线26上。如果在光电二极管36、38上照射相等的光功率，并且它们的变换效率相同，那么在它们的输出中将产生相同的电流。由于光电二极管36被偏置负电压，故产生的电流由流向相互连接56的负电荷携带。相反光电二极管38被偏置正电压，流向相互连接56的电流由正电荷携带。理想地对于自零拍过程，这些电流幅度相等但符号相反，并因此在相互连接56抵消。抵消的程度就是光接收机24的共模抑制。为了实现有效的抵消，与IF电信号处在滤波器64通带内的周期相比，在光组合器18和相应的光电二极管36、38之间的差分延迟必须更小。
当LO和信号波长在组合器18的耦合区域处反相时，它们在每个输出上有90度的相移，并且它们的乘积将反相。在这种情况下，光电二极管36、38的差分化动作会产生一个非负的输出。由于LO和WDM信号成分通常不同频，故二者之间的相位将连续地从同相循环到反相，在它们的乘积上产生零值和峰值，这就是IF信号。自零拍信号抵消和IF带通信号的好处在于，这允许接收机在带内(相对于WDM基带数据信号而言)IF频率上运行。
平衡的接收机24有效地提供对多余光信号的过滤，而无需另外的光过滤，且带通滤波器抑制多余的电的带外混合成分。考虑在市场上可得的组件，使用带内IF会大大降低了对鉴频器60和IF功率检测器62的电子设备的要求。
LNA58可以是一个50欧姆的MMIC设备。IF鉴频器60方便地包含一个简单放大的、并行的超前-滞后、滞后-超前电路，两侧的比率给出1对1的关系以输出电压关系。这给出了足够精确的频率测量以指示该IF信号在通带内的位置。
通过级连一个高通和一个低通滤波器可以方便地实现带通滤波器64，以给出200-1400MHz(带宽为1.2GHz)的通带。IF功率检测器62是一个带有低温系数的、高频、高动态范围、检波对数放大器。
技术人士可以理解，所述光信号监视器是本发明一种可能实施方案的一个实例，并允许在本发明的范畴内作出变化。例如，虽然所述的监视器被描述为按顺序连续地扫描通过该波长，但如果需要的话，可以设想按照不同的顺序来步进波长，或在特定WDM载波波长处停止LO并且使用测得的IF信号来跟踪WDM载波波长的波长改变。可选择地，后者可被用来检测监控音或解调WDM信号上存在的监视信道。虽然在所述的实施方案中，为WDM信号的各个组成成分测量光功率和波长，但还可以想象在其他方案中具有一个只测功率或只测波长的OSM。另外，虽然所述OSM使用LO波长和IF信号的频率来精确测量波长，但也可以想象在另一个实施方案中只检测IF信号的出现，因此指示WDM信号成分的波长对应于在接收机带宽内的LO波长。
相比已知的OSM，本发明中OSM具有的优点在于操作的绝对频率范围仅由可调激光器的操作范围和光接收机的频谱响应限定。本发明中OPM的特殊优点则在于与比光纤相比，分辨率带宽、有效的带通滤波器带宽容易作到更窄。
可以想象在又一实施方案中，为了降低成本和尺寸，使用单独LO单元服务于多个OSM。在这种方案下，可以想象偏振加扰的LO输出功率能够被分离为不必都相等、带有用于不同功能的适当电平的多个输出。这将对降低监视器的成本和尺寸起到明显的作用，使得能够使用更多的监视器，所述监视器可以本地放置WDM系统2中的方便的位置。
本发明的OSM必然地适于小型化，并且优选地将光电二极管制造成为匹配象限的InGaAs/InP，与相关的光波导耦合器和电子放大器一起放置在NIP/PIN组内。优选地将嵌入式控制器22制成为现场可编程阵列(FPGA)。
虽然因为其共模噪声抑制特性而优选使用平衡光接收机，但可以使用其他形式的接收机来测量IF信号。
IF信号带宽的选择决定于可获得的设定和LO单元的精度以及采样步长。
虽然本发明的光功率监视器主要是打算用于测量WDM光信号组成成分的光功率，但可以理解，它可以用于希望在所选波长上或所选波长频带范围内测量光功率、或仅仅测量波长的任何应用。
Claims (11)
1.一种用于确定波分复用WDM光信号的波长信道的波长和功率的WDM光信号监视器，所述WDM光信号包括在波长频谱上间隔开的多个波长信道，该监视器包含：一个波长可选择的光源，用于在所述波长频谱上间隔开的多个离散波长之一处选择性地产生光辐射；一个被施加所述光辐射和WDM光信号的光接收机，该光接收机用于外差该光辐射和WDM光信号以产生一个电信号，其频率代表波长信道的至少一个波长信道和该光辐射之间波长的差值；以及用于检测所述电信号的存在并测量所述电信号的幅度的装置，所述装置用于根据所测量的电信号的幅度而确定导致该电信号的所述至少一个波长信道的功率，以及其中该装置还用来在检测到该电信号存在时确定所述至少一个波长信道的波长，且所述至少一个波长信道的波长被取为与当前由光源产生的光辐射的波长相应。
2.按照权利要求1的WDM光信号监视器，其中该光源可操作以产生在该多个离散波长的每个波长的光辐射，且在所述多个离散波长的每个波长处确定导致所述电信号的所述至少一个波长信道的波长和功率，由此而确定该WDM光信号内所有波长信道的波长和功率。
3.按照权利要求1或2的WDM光信号监视器，还包括频率测量装置，用于测量该电信号的频率，以及其中用于确定波长的装置可操作以根据测量的频率和当前由光源产生的光辐射的波长来确定所述至少一个波长信道的波长。
4.按照权利要求1或2的WDM光信号监视器，其中光接收机包含一个带通滤波器，其中选择该带通滤波器的通带，以便允许与一个波长信道相对应的电信号通过。
5.按照权利要求4的WDM光信号监视器，其中由光源产生的离散波长的波长间隔小于该滤波器的通带。
6.按照权利要求1或2的WDM光信号监视器，还包括一个偏振扰频器，用于在将光辐射加到光接收机之前对该光辐射的偏振加扰。
7.按照权利要求1或2的WDM光信号监视器，还包含用于在把WDM信号和光辐射加到光接收机之前组合该WDM光信号和光辐射的匹配的3dB光组合器。
8.按照权利要求7的WDM光信号监视器，其中光接收机包含一个平衡的光电转换器，且该光组合器的各个输出被加到各自的光电转换器。
9.按照权利要求1或2的WDM光信号监视器，其中光源是一个波长可选的激光器。
10.按照权利要求9的WDM光信号监视器，其中该激光器包含用于检查至少一个离散波长的光辐射的波长的波长检查装置和响应于所述波长检查装置而控制激光器将光辐射维持在至少一个波长上的控制装置。
11.按照权利要求1或2的WDM光信号监视器，还包含用于测量光辐射的光功率的功率监视装置，以及其中用于确定所述至少一个波长信道的功率的装置使用测量的光功率和测量的电信号的幅度来确定所述至少一个波长信道的功率。
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