CN1235365C - 同时监控光波道与光信号噪声比的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种同时监控光波道与光信号噪声比的装置与方法，用于波分复用光通讯系统里。一个极化控制器被循序地调整，以执行光信号的偏振控制。一个具有偏振选择功能的光电调制器作为偏光镜用，和提供调制信号以增加检测灵敏度。一个分光器将调制光信号分成两道光束。一个光检测器接收第一道光束，测量光信号噪声比。一个光学组件接收第二道光束，识别多光波道的波长。此装置可被复合集成封装成一个轻巧模块并整合在一芯片上。光波道的监控涵盖了广泛的波长范围并且是可调动的。此光信号噪声比的监控拥有宽广的动态范围及良好的准确度。

Description

同时监控光波道与光信号噪声比 的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种使用在紧密波分复用(DenseWavelength-Division-Multiplexing，DWDM)光传输系统上同时监控光波道与光信号噪声比(Optical Signal-to-Noise Ratio，OSN R)的装置与方法。
背景技术
在波分复用(Wavelength-Division-Multiplexing，WDM)网络系统中为了提供高质量传输服务及确保网络稳定能力，必须监控光功率、光波长及光信号噪声比等相关光信道效能参数。在光放大器中放大的自发放射(AmplifiedSpontaneous Emission，ASE)光源是非偏振(Unpolarized)光，而传输的数据信号几乎仍保持着偏振光的特性。因此，在测量ASE电平上，利用偏振熄灭(Polarization Extinction，PE)的方法来决定OSNR值。在以偏振熄灭为基础的方法上，OSNR的监控乃藉由测量WDM信号的偏振明灭比例来展现。
图1说明两种以偏振熄灭为基础的适合的测量设定结构(MeasurementsSetup)。此测量设定结构使用了一个偏振控制器(Polarization Controller)101。此偏振控制器101包括了一个偏振器(Polarizer)，此偏振器位于一种已知的光频谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer，OSA)103之前，或是在随后有个光功率计(Power Meter)107，而在之前为可调式光滤波器(Tunable OpticalFilter)105。首先，进来的WDM信号的偏振状态可藉由偏振控制器101来改变，直到在检视下的通道中的光谱分析器103或是光功率计107指出最小值光功率(Minimum Optic Power)为止。以ASE而言，其读值是ASE功率的一半。然后，偏振控制器101设定为正交(Orthogonal)状态。在够高的OSNR值的案例中，显示出的光功率为一最大值并且对应于信号功率。利用这些数值可计算出来OSNR值。
上述的PE技术的特征为此方法仅需一个低成本的光谱分析器。然而，在光纤传输(Optical Fiber Communication)中，外在温度的改变可能就影响了DWDM信号的偏振状态。所以，为了符合实际网络上的应用，有必要去追踪修正每一个通道的偏振状态。一种自动地监控OSNR值的简单的技术就是偏振致零法(Polarization-nulling Method)。此种方法以偏振致零法为基础的技术是藉由使用一个可旋转的四分之一波片(Rotating Quarter-wave-plate)和一个可旋转的线性偏振器(Linear Polarizer)。
图2说明实验架构以展现偏振致零技术的操作原则。在此实验架构中，使用了一个可调式激光201及一个ASE光源203以模拟不同OSNR值的光信号。因此，此OSNR值可藉由调整置于光源之前的可调式光衰减器(Attenuator)来改变大小。光信号经由1*8波导光路由器(Waveguide Grating Router，WGR)205过滤出，然后经一个光衰减器到OSNR监控模块207。在OSNR监控模块上伴随而来的光信号的偏振状态可以是直线形、圆形或者是椭圆形。然而，任何偏振的信号可以使用一个可旋转的四分之一波片将之改变为线性偏振信号。而放置于四分之一波片的输出端的线性偏振器也是缓慢地旋转。
因此，每当从可旋转的四分之一波片输出的线性偏振光信号均可由旋转线性偏振器滤出，其包含已偏振的ASE噪声的信号功率可被测量出来。当线性偏振器与由可旋转的四分之一波片获得的线性偏振信号呈现正交的状态时，其已偏振的ASE值可以被测量出来。所以OSNR值可由所检测到信号的最大与最小值来监控。
美国专利5,223,705披露了一种利用偏振状态来测量光放大器参数，其使用一个偏振控制器和一个线性偏振器来测量光放大器的ASE噪声及增益值。经由偏振控制器的循序控制，使得线性偏振器的输出有最小值光功率和最大值光功率的循序输出。最小值光功率代表ASE噪声的一半，而最大值光功率则代表一半的ASE噪声加上光信号的值。所以此方法可测量出光放大器的ASE噪声和增益值。
上述的技术是利用一个偏振控制器与一个线性偏振器的结合来测量OSNR值。此种测量方法是基于光信号是偏振光而噪声是非偏振光的假设下。为了提升监控的灵敏度和多参数监控等目的，本发明提出一种适用于同时监控光波道与OSNR值的精致模块。
发明内容
本发明克服上述传统光信号噪声比监控的缺点。本发明主要目的为提供一种可同时监控光波道与OSNR值的装置与方法。依此，本发明的装置包含一个偏振控制器、一个调制信号源(Dithering Signal)、一个电光调制器(Electro-optic Modulator)、一个分光器、一个光检测器(Photodetector)及一个光学元件(Optical Element)。
运用偏振控制器与电光调制器的组合可计算出OSNR值。电光调制器也可提供调制信号源给特定的光波道以增进光检测器与光学元件的检测质量。使用光检测器与光学元件可以分别来测量OSNR值与光波道位置。针对需要的功能，电光调制器具有高度偏振选择性。换言之，它只允许两个正交偏振光的其中之一通过，且扮演如同一个线性偏振器。光学元件监视着光波道，且其监视波长范围可轻易地藉由调动偏压电流来调整涵盖不同的波段(Wavelength Band)。
根据本发明，光波道的监控可涵盖广泛的波长范围，并且OSNR值的监控拥有广泛的动态范围及良好的准确度。此装置也可以被模块化及复合集成在一芯片上。
在一个较佳的实施例中，本发明的装置使用一个发光二极管(Light-emitting Diode，LED)传感器作为光学元件，从跨过LED的接面电压(Induced Junction Voltage)来识别光波道的波长。使用LED传感器有许多超越其它光波道监视方法的优点，包括一个光滤波器、双重检测器(DoubleDetector)及干涉计(Interferometer)的使用等。它比利用相同检测原理如光半导体放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)或者是法布里—比洛激光二极管(Fabry-Perot Laser Diode，FPLD)更具优势。LED传感器具有非常低的成本，且在一个赋予的偏压下可监控广泛的波长范围。藉由改变偏压电流，其监控的波长范围可轻易地调动以达到最佳的实现结果。
本发明的同时监控光波道与OSNR值的方法包含了此装置的操作原理的实施步骤。一部分的光功率首先从选定的光波道被分出来，然后汇入偏振控制器，之后为电光调制器。循序的极性控制是借着循序调整送进偏振控制器的光信号来进行。电光调制器的调制信号源是用来增加检测灵敏度。然后分光器把调制后的光信号分成两束。一束光提供给光检测器来测量OSNR值，另一束光则提供给光学元件来识别光波道。
在本发明中，光波道识别与波长漂移量(Wavelength Drift)是利用八个100GHz间隔的DWDM光波道的实验结果来证实。本发明也示出在电光调制器的输出端所测量到的光频谱，并与两正交偏振状态的输出作比较。实验结果说明偏振明灭比例为37.9dB与36.7dB，分别对应于单一的2.5Gbps与10Gbps波道。OSNR值可从藉由调整偏振控制所检测到的最大与最小电压来计算。本发明也证实所测量到的OSNR值是和OSA所测量的数据是非常一致的，并且可测量的OSNR值可达到31dB，而误差保持在0.5dB内。
本发明的使用一个具有偏振选择功能的电光调制器与一个低成本的光学元件而用来同时监控光波道与OSNR值的装置与方法具备如下的优点：(1)低成本；(2)轻巧；其可封装成一精致模块或复合集成在一芯片中；(3)光波道监控可涵盖广泛波长范围且可变动；以及(4)OSNR值监控动态范围宽广且准确。
结合下述附图、实施例的详细说明及权利要求，将详述本发明的上述及其它目的与优点。
附图说明
图1说明两种以偏振熄灭为基础的适合的测量设定结构；
图2说明实验架构以展现偏振致零技术的操作原则；
图3为根据本发明的OSNR值监控与光波道识别装置的方块示意图；
图4为图3的一个实施例，其中使用一个LED传感器作为光学元件；
图5表示一个边缘放射LED在不同偏压电流下的接面电压；
图6说明八个DWDM光波道其LED接面电压相对于光波道波长漂移的关系，光波道1至8，CH1～CH8，其间隔为100GHz；
图7为位速率2.5Gbps及10Gbps时，电光调制器的输出端在两正交状态时所量到的光频谱；
图8为位速率2.5Gbps及10Gbps时，比较本发明的装置与一个高效能的光频谱分析仪所测量的OSNR值。
附图标号说明
101 偏振控制器                 103 光频谱分析仪
105 可调式光滤波器             107 光功率计
201 可调式的激光光             203 ASE光源
205 波导光路由器               207 OSNR监控模块
301 偏振控制器                 302 调制信号源
303 电光调制器                 304 分光器
305 光检测器                   306 光学元件
307 光信号                     308 已调制的光信号
401 可调式光滤波器             404 耦合器
406 LED传感器
具体实施方式
本发明的要旨为使用一个具有偏振选择功能的电光调制器和一个光波道识别单元，来作DWDM网络中的OSNR值监控及光波道识别。图3为根据本发明的OSNR值监控与光波道识别装置的方块示意图。此装置包含一个极性控制器301、一个调制信号源302、一个具有偏振选择功能的电光调制器303、一个分光器304、一个光检测器305及一个光学元件306。偏振控制器301、电光调制器303、分光器304和光检测器305组合成一个OSNR值测量单元。分光器304与光学元件306组成一个光波道识别单元。为了增加光检测器305与光学元件306的检测灵敏度，供给调制信号302源给予电光调制器303，然后由分光器304分光分别进入光检测器305及光学元件306。光学元件用来识别光波道波长。
根据本发明，光学元件306可以是一个LED传感器、SOA或是附加检光二极管的光滤波器。具有偏振选择功能的电光调制器可以是一个线性偏振器串接一个电光调制器，或者是一个单一线性偏振传输波导结构的电光调制器。值得注意的是在本发明中所有的装置的组件均可被模块化并复合集成在一芯片中。
参考图3，光信号307首先从一个选定的光波道分出，然后输入偏振控制器301，之后为电光调制器303。然后光信号307输入偏振控制器301作循序偏振控制。电光调制器303的调制信号源302是用来增加检测灵敏度。然后分光器304将已调制的光信号308(即电光调制器的输出)分成两束。一束光使用在光检测器305，用来测量OSNR值，另一束光使用在光学元件306，作为光波道识别用。
图4为图3的一个实施例，其中使用一个LED传感器作为光学元件，并且已调制的光信号308以50∶50的比例被耦合器(Coupler)404分为两束。从图4中可看出，信号与噪声皆通过一个可调式光滤波器401来模拟光波道被选择或撷取的功能(Dropping Function)。光信号307从选定的光波道被分出来，送进偏振控制器301。光信号307进入偏振控制器301作循序偏振控制。为了实现所需的功能，电光调制器303具有高度偏振选择性，亦即只允许两正交偏振光的其中之一通过，且扮演如同一个线性偏振器。
藉由此电光调制器和偏振控制器，可以如同偏振致零法方法测量出光波道OSNR值。同时，电光调制器将调制信号源302使用在选定的光波道，以增加光检测器305和LED传感器406的检测灵敏度及动态范围。此实施例中，耦合器404以50∶50的比例，将调制光信号分成两束。OSNR值和光波道数量分别被光检测器305与LED传感器406测量出来。
此LED传感器406经由LED的接面电压检测来识别光波道波长。就如同波长检测技术中，利用FPLD或SOA中波长与透明点电流相关的透明点特性。
就像激光二极管或SOA，当波长移往长波长侧(Long-wavelength Side)，LED为增益材料(Gain Material)，其透明点电流会下降。跨接LED电极的接面电压几乎与透明点电流和偏压电流(Bias Current)的差值呈线性比例。显然地，此接面电压是随着波长改变而变化，且可使用于波长检测。
LED传感器可监控多光波道，且其监控的波长范围可借着调整偏压电流来轻易地调动不同的波段。例如，图5表示一个边缘放射(Edge-emitting)LED(PD-LD型号PLD-E15-506)在不同偏压电流下的接面电压。对于一调制的输入光信号，其响应的接面电压可使用一个狭窄的带通电滤波器来检测，以抵抗检测过程中所伴随的噪声。此输出电压信号的大小对于波长改变是非常敏感的。在图5中的输出电压是使用一个相位感应检测(Phase-sensitiveDetection，PSD)回路，如此接面电压的负值大小(Negative Magnitude)显示在损失区(Loss Regime)。当一个PSD回路，即一个锁相(Phase Lock-in)放大器，被使用来感应电压时，检测到的电压与所输入的波长之间可得到一个单调的关系。本发明可藉由一个LED来检测更大范围的波长。
LED传感器可提供比先前论证过的光波道监控方法更多的优点，包括光滤波器、双重检测器及干涉计的使用等。它也比SOA或FPLD这些运用和LED相同检测原理的传感器来得优势。LED传感器的成本十分低，且在一个给定的偏压电流下可监控广泛的波长范围。经由改变它的偏压电流，监控波长范围可轻易地调整而达到最佳的实施结果。
虽然一个低成本的FPLD被证明可用来监控DWDM光波道，并且有令人满意的实施结果，然而对于由平面反射(Facet Reflection)所诱发的共振电压的问题，仍需要去选择一个适合的激光二极管长度，和小心地调整它的偏压电流。使用LED传感器唯一要关切的是它也许需要温度控制。因为LED需要简单地从彼此之间区别光波道而不是精确地检测光波道波长，检测范围是相对地广泛，所以在本发明中它不需要严密的温度控制。
根据本发明，由检光二极管所测量到的电压的最大值指示出信号功率加上噪声功率的一半，而假如信号完全被具有偏振选择性的调制器抑制掉(Suppressed)，则电压的最小值对应于噪声功率的一半。所以，OSNR值的监控是结合偏振控制器301和实质上为线性偏振电光调制器303来实施的。对于两监控路径，电光调制器303也将单频正弦波信号(Single-tone sinusoidalsignal)施用于输入的光信号与光噪声以增加检测质量。实验中调制信号源302的频率为10kHz。由于随后有一个狭窄的频带通电滤波器来去除检测噪声，而LED传感器406可将光波道波长检测出来。
图6说明八个DWDM光波道其LED接面电压相对于光波道波长漂移的关系，光波道1至8，CH1～CH8，其间隔为100GHz。图6也说明了电压随着波长漂移而变化的情形。基本上，波长锁定器(Wavelength Locker)可确保DWDM光波道的波长漂移量在正负0.02nm以内。对于如此一个可能的波长漂移量，相邻光波道之间的接面电压可以清楚地分辨出来。并且，由于不同的光波道所检测到的电压的分隔很大，因此传感器的温度控制的容忍度(Tolerance)可放松至0.24℃。此光波道监控技术的可靠度与稳定度已证实比FPLD传感器要好。
以下描述本发明对同时监控光波道与OSNR值的操作原理。光信号307输入偏振控制器301进行循序偏振控制。然后，偏振控制器301切换至电光调制器303的输出端在最大或最小值发生时的偏振状态。藉由此循序调整偏振控制器，光检测器305可以检测出因偏振控制下所量到的最小值光功率Pmin和最大值光功率Pmax。图7为位速率2.5Gbps及10Gbps时，电光调制器的输出端在两正交状态时所测量到的光频谱。在图7中比较这两正交偏振状态的输出。结果指出对单一的2.5Gbps及10Gbps的光通道其偏振明灭比值分别为37.9dB和36.7dB。
OSNR值可藉由切换两正交状态所检测到的最大与最小电压来算出。图8为位速率2.5Gbps及10Gbps时，比较本发明的装置与一个高效能(High-performance)的光频谱分析仪所测量的OSNR值。纵轴的修正的(Calibrated)OSNR值须改正一因子，因为只有一半的ASE光噪声被偏振选择性的调制器测量出来，所以此因子包含量到的噪声电平的3dB的差距。它也包括在可调式的光滤波器与OSA之间其滤波器的频宽差距(4.2dB)。此结果说明了所测量到经修正的OSNR值与从OSA所得到的数据是具有相当的一致性。当误差保持在正负0.5dB之内时，本发明的模块可以测量OSNR值到31dB。
由上可知，本发明在监控OSNR值与光波道识别中其关键组件为电光调制器和LED传感器。在一个实验中，本发明选用AT&TMach-Zehnder干涉型式的电光调制器M22122AA。此电光调制器在两端使用标准单模光纤(Standard Single-mode Fiber)作为输入/输出。其具有很强的偏振选择功能，且极性明灭比值可大于30dB。LED传感器则是一个1.55μm的边缘放射LED。
如上所述实施例，仅为本发明的较佳实施例而已，而不能以此限定本发明实施的范围。凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，均应属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (13)

1.一种同时监控光波道与光信号噪声比的装置，包含有：
一偏振控制器，循序调整该偏振控制器以对一光信号执行循序偏振控制；
一调制信号源；
一具有偏振选择功能的电光调制器，接收来自该偏振控制器的一个光信号，并且输出一个调制信号至一选定的光波道，然后输出一已调制的光信号；
一分光器，将该已调制的光信号分成第一道及第二道光束；
一光检测器，接收该第一道光束并测量该光信号噪声比；以及
一光学元件，接收该第二道光束并识别多光波道波长。
2.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该偏振控制器、该具有偏振选择功能的电光调制器、该分光器与该光检测器构成一光信号噪声比测量单元。
3.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该分光器与该光学元件构成一光波道识别单元。
4.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该光学元件为一发光二极管传感器。
5.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该已调制的光信号以50∶50的比例被分成两道光束。
6.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该具有偏振选择功能的电光调制器为一线性偏振器。
7.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该具有偏振选择功能的电光调制器由一个线性偏振器串接一电光调制器。
8.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该装置被封装成一个模块，并且复合集成在一片芯片上。
9.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该具偏振选择功能的电光调制器为一个单一偏振传输波导结构的电光调制器。
10.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该光学元件为一半导体光放大器。
11.如权利要求1所述的同时监控光波道与光信号噪声比的装置，其中该光学元件为一光滤波器及检光二极管的组合。
12.一种同时监控光波道与光信号噪声比的方法，其包含下列步骤：
(a)提供一光信号给一偏振控制器；
(b)循序地调整该偏振控制器，以执行该光信号的循序偏振控制，之后输入该光信号至一具有偏振选择功能的电光调制器；
(c)提供一调制信号给该具有偏振选择功能的电光调制器，之后利用该具有偏振选择功能的电光调制器输出一个已调制的光信号；
(d)将该已调制的光信号分成第一道与第二道光束；
(e)输入该第一道光束至一光检测器，以测量光信号噪声比；
(f)输入该第二道光束至一光学元件，以作该光波道监控。
13.如权利要求12所述的同时监控光波道与光信号噪声比的方法，其中在该循序的偏振控制后，该偏振控制器切换偏振状态至该具偏振选择功能的电光调制器的输出端发生最大或最小值。
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