CN1260480A - 光学信号监视装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种监视WDM系统中波分多路复用(WDM)信号的多路信号的装置和方法。所述光学信号监视装置包括:光学多路分用器;信号转换单元,用于接收来自光学多路分用器输出端口的信号;以及信号处理单元,用于接收所述数字信号计算每个信道的波长和光功率。于是,通过使用构成较小模件的光学信号监视装置,可以同时且精确地得到有关多路信号的信息,如光功率、波长和光学信号的信噪比(OSNR)。

Description

光学信号监视装置和方法

本发明涉及一种监视波分多路复用光学信号的装置和方法，所述信号包含波分多路复用(WDM)系统中的多信道光学信号。

在WDM系统中，传输多条光学信道，并将它们归入一条单独的光纤，通常在各信道被多路分用之后实行信道质量监视。然而，近来，在监视所述信道质量之前监视WDM状态下之光学信号质量的需求愈见增长。

为监视多信道光学信号，需要对每个光信道信号测量有关光功率、光波长及光学信号的信噪比(OSNR)。在WDM光传输系统中，相邻信道信号以及本信道信号的传输容易有错误，因而需要严格控制各信道的波长偏差。另外，还需要实时监视波长的控制。

采用WDM光学放大器时，对于每条信道而言，光功率及OSNR都可能变化。于是，就需要对其按道监视。通常，可从各信道的OSNR及光功率推断所有信号的质量，因此必须测量OSNR因子和光功率因子，以监视信号的质量。

美国专利US 5,617,234披露一种采用阵列波导光栅(AWG)和光电二极管阵列的多波长同时监视电路，它能监视每条推断的波长。然而，这项公开要求实时控制AWG的温度，还需要一个参考波长的光学信号，却不能实现光功率和OSNR的正确测量。在WDM光传输系统的信道监视中，必须同时监视光功率、波长和OSNR。但该项公开只能测量三个因子中的两个。也就是说，如果测量两个任选的因子，则不能测量余下的一个因子。

本发明的目的在于提供一种在波分多路复用(WDM)系统中通过同时测量光功率、波长及光学信号之信噪比(OSNR)监视多条光信道信号的装置和方法。

本发明的一个方面提供一种光学信号监视装置，它包括：具有2N个输出端口的光学多路分用器，用于按波长接收并分离具有N个波长的波分多路复用(WDM)信号，并经所述2N个端口输出每个信道的两个输出端口信号；信号转换单元，用于接收来自光学多路分用器的输出端口信号，并将所接收的光学输出端口信号转换成数字信号；以及信号处理单元，用于接收所述数字信号，并利用每个信道的两个输出端口信号的损耗特性，计算每个信道的波长和光功率。

本发明的另一方面提供一种监视光学信号的方法，包括如下步骤：(a)将具有N个波长的波分多路复用(WDM)信号按波长分离成每个信道的两个光学信号，以输出总计2N个光学信号；(b)将步骤(a)的光学信号转换成数字信号；以及(c)接收数字信号，以便利用相应信道的两个光学信号的损耗特性计算每个信道的波长和光功率。

通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，将使本发明的上述目的和优点变得愈加清晰，其中：

图1表示在阵列波导光栅(AWG)中多路光信道信号的谱；

图2表示在与所要监视的目标信道相应的AWG的输出端口处第i个信道的谱；

图3是本发明光学信号监视装置的示例性实施例的方框图；

图4是本发明光学信号监视装置的另一个示例性实施例的方框图。

在把所要监视的波分多路复用(WDM)信号输入到光学信号监视装置时，光学多路分用器在预先确定的波长下将多个信道的信号送至它的输出端口。来自多路调制器的输出信号的波长间隙必须比WDM信号的波长间隙密2倍。例如，假设WDM信号的波长间隙相应于100GHz，则所述光学信号监视装置中所用光学多路分用器的多路输出端口需要相应于50GHz的波长间隙，即WDM信号波长间隙的一半。

如果WDM信号中包含的波长数目为N，则所述光学多路分用器需要2N+2个输出端口。每个信道的信号需要两个输出端口(2N)，并且两个过量端口(2)需测量两个最外面的波长之间的频率范围之外的光学噪声等级，因而所述光学多路分用器的输出端口总数达到2N+2。如表示阵列波导光栅(AWG)的输出端口处波长传输质量的图1所示，对于每个信道的两信道信号在它们的中心处被叠加。在此，从所述光学多路分用器的第2i和第2i+1输出端口输出的信道信号测量第i信道的光功率。

为便于说明，以下首先参照图3描述本发明光学信号监视装置的光功率、波长测量、光学信号的外形。

图3是本发明光学信号监视装置一种具体实施例的方框图，它测量每个信道的光功率、波长和光学信号的信噪比(OSNR)。所述光学信号监视装置包括光学多路分用器310、信号转换器320和信号处理器330。

光学多路分用器310将WDM信号按波长分离为多个信道的信号。信号转换器320接收各信道信号，通过计算光强的预定操作，将这些光学信道信号转换成电信号，并将这些电信号输出至信号处理器330。信号处理器330采用下述方程计算每个信道的质量，并将其输出至外部系统，如WDM系统或个人计数机(PC)。

以下将详细描述利用具有图3所示结构之光学信号计算装置计算每个信道的光功率、光波长和光学信号的信噪比(OSNR)。

图2示出与所要监视的目标信道相应的光学信号的谱，这些信号是从AWG的各输出端口输出的。例如，若选择第i个信道为目标信道，传输曲线，即关于相应于第i个信道的AWG两个输出端口处波长的传输损耗曲线P_loss1和P_loss2可接近该信道波长中心的下述公式(1)和(2)(根据国际通信联盟推荐)。

这里的λ_i表示第i个信道的中心波长，λ₁表示第2i个输出端口的中心波长，λ₂表示第(2i+1)个输出端口的中心波长

        P_loss1＝α₁(λ_i-λ₁)²+b₁            …(1)

        P_loss2＝α₂(λ_i-λ₂)²+b₂            …(2)

在方程(1)和(2)中，α₁和α₂是损耗特性系数，b₁和b₂是损耗补偿系数。

假设在第2i个输出端口测得的光功率是P_out1，在第2i+1个输出端口测得的光功率是P_out2，并且第i个信道的光功率是P_i，则AWG各输出端口的光功率P_out1和P_out2被表示为下式(3)和(4)。

        P_out1＝P_i+[α₁(λ_i-λ₁)²+b₁]        …(3)

        P_out2＝P_i+[α₂(λ_i-λ₂)²+b₂]        …(4)

如果使方程(3)和(4)两端彼此相减，然后求解λ_i，则在α₁-α₂≠0时，我们可得下式(5)，而在α₁-α₂＝0时，我们可得下式(6)。 $\mathrm{\λi}=\frac{-B\±\sqrt{B^2-\mathrm{AC}}}{A}---\left(5\right)$ $\mathrm{\λi}=\frac{C}{2B}---\left(6\right)$ 在方程(5)和(6)中，A＝α₁-α₂，B＝α₁λ₁-α₂λ₂，并且C＝(b₁-b₂)+(α₁λ₁ ²-α₂λ₂ ²)-(P_out1-P_out2)。对于方程(5)而言，作为方程(5)的解，得到λ₁和λ₂之间的两个解之一，即为第i个信道的波长λi。

另外，通过将解方程(5)或(6)所得的第i个信道的波长λ_i代入方程(3)或(4)，得到第i个信道的光功率P_i。可如下述方程(7)那样重新安排方程(5)或(6)，表示第i个信道的光功率P_i。

        P_i＝P_out1-[α₁(λ_i-λ₁)²+b₁]或

        P_i＝P_out2-[α₂(λ_i-λ₂)²+b₂]    …(7)

如上所述，利用AWG的两个相邻输出端口的光信道信号一即邻近的信道，可计算目标信道的光功率。

利用线性方程代替上述二次方程可以约计损耗特性。由方程(8)和(9)给出使用线性方程的损耗特性的简单近似。

        P_loss1＝α₁₁λ_i+b₁₁            …(8)

        P_loss2＝α₂₂λ_i+b₂₂            …(9)

其中P_loss1和P_loss2是与第i个信道的波长λi有关的两个输出端口的损耗特性，α₁₁和α₂₂是线性损耗特性系数，而b₁₁和b₂₂是损耗特性常数。

假设在第2i个输出端口测得的光功率是P_out1，在第(2i+1)个输出端口测得的光功率是P_out2，并且第i个信道的光功率是P_i，则各输出端口的光功率P_out1和P_out2被表示如下式(10)和(11)。

        P_out1＝P_i+(α₁₁λ_i+b₁₁)            …(10)

        P_out2＝P_i+(α₂₂λ_i+b₂₂)            …(11)

在方程(10)和(11)中，λ_i表示第i个信道的波长，α₁₁和α₂₂是线性损耗特性系数，而b₁₁和b₂₂是损耗特性常数。

通过对第i个信道的波长λ_i同时重新安排方程(10)和(11)成为下式(12)，并用各输出端口测得的光功率值代替P_out1和P_out2，得到第i个信道的波长λ_i为 $\mathrm{\λi}=\frac{P_{\mathrm{out}1}-P_{\mathrm{out}2})+(b_{22}-b_{11})}{a_{11}-a_{22}}---\left(12\right)$

另外，通过将按方程(12)所得的第i个信道的波长λ_i代入方程(10)或(11)，得到第i个信道的光功率P_i。

利用高斯函数附加于上述线性函数或二次函数，可以实现接近损耗特性曲线。

以下叙述OSNR的计算。为了计算OSNR，需要光学信号的第一级光学噪声。光学噪声等级可由AWG的第一和第(2N+2)个输出端口的输出测得(见图1)。但若光学多路分用器的干扰程度较高，则由于相邻信道光学信号的相互作用，在光学噪声测量期间可能发生误差。因而，为了精确的光学信号测量，把带通滤波器插入到两个输出端口。这里，可以根据光学多路分用器的类型确定带通滤波器的种类。

采用预定程序，通过光学多路分用器的实际传输频带将由AWG的第一和第(2N+2)个输出端口的输出测得的光学噪声等级修正成光谱分析仪测量范围内的值。

利用在两个最外面的端口测得的光学噪声等级和所述修正值，通过插值法计算每个信道的光学噪声等级，然后可由通过上述损耗特性的约值计算的相应信道的光功率P_i计算OSNR。

图4表示图3光学信号监视装置的一个示例性实施例。该光学信号监视装置包括AWG410、包含滤波部分422的信号转换单元420、光电转换器424和模拟-数字信号转换器(ADC)426；还包括微处理器430。

AWG410是一个接收WDM光学信号，以输出具有对应于其中波导阵列的长度之位相差的多路信号的装置。这里的AWG410接收包括N个信道的WDM信号，并从所接收的WDM信号分离并输出(2N+2)个信道信号。在这(2N+2)个信道信号中间，最外面端口的第一和第(2N+2)个信号被用来测量光学噪声等级，这是OSNR测量所需要的，所述第一和第(2N+2)个信号被输出到滤波部分422。

为了精确的光学噪声测量，所述滤波部分422只通过两个信道信号的预定波带，以遏制相邻信道信号对所述两个信号的相互作用。所述滤波部分422由带通滤波器构成。

光电转换器424通过所述滤波部分422接收两个最外面端口的信道信号，还接收AWG4 1 0的第二到第(2N)个输出端口的其它分离的信道信号，并按正比于各光学信号强度的方式将所接收的光学信号转换成电信号。所述光电转换器424最好由光电二极管阵列或电荷耦合器件(CCD)构成。

ADC426接收由光电转换器424输出的电信号，将接收的模拟信号转换成数字信号，并将数字信号输出给微处理器430。微处理器430利用上述各方程计算多个信道的光功率、波长和OSNR。另外，可将算出的有关各信道信号的信息提供给外部设备，如计算机或WDM光传输系统。

如上所述，通过使用被构成较小模件的光学信号监视装置，可以同时且精确地得到有关WDM光学信号的多信道信号的信息，如光功率、波长和OSNR。

虽然已参照其优选实施例特殊表示并描述了本发明，但对于那些熟悉本领域的人将能理解，可制得形式上和细节方面的各种变化，而不致脱离有如所附各权利要求所限定的本发明精髓和范围。

Claims (16)

1.一种光学信号监视装置，其特征在于它包括：

具有2N个输出端口的光学多路分用器，用于按波长接收并分离具有N个波长的波分多路复用(WDM)信号，并经所述2N个端口输出每个信道的两个输出端口信号；

信号转换单元，用于接收来自光学多路分用器的输出端口信号，并将所接收的光学输出端口信号转换成数字信号；以及

信号处理单元，用于接收所述数字信号，并利用每个信道的两个输出端口信号的损耗特性，计算每个信道的波长和光功率。

2.如权利要求1所述的光学信号监视装置，其特征在于所述光学多路分用器包括阵列波导光栅(AWG)。

3.如权利要求1所述的光学信号监视装置，其特征在于所述光学多路分用器包括附加于所述2N个输出端口的两个以上输出端口，用以输出噪声光学信号，其中之一的波长小于所述WDM信号的波长范围，其它的波长则大于所述WDM信号的波长范围，从而输出总计2N+2个信号。

4.如权利要求3所述的光学信号监视装置，其特征在于所述信号转换单元包括：

光电转换器，用以将来自所述光学多路分用器的输出端口的光学信号转换成模拟信号；

模拟-数字信号转换器，用以将模拟信号转换成数字信号。

5.如权利要求4所述的光学信号监视装置，其特征在于所述信号转换单元还包括专用于通过噪声光学信号的滤波部分。

6.如权利要求5所述的光学信号监视装置，其特征在于所述滤波部分包括带通滤波器。

7.如权利要求4所述的光学信号监视装置，其特征在于所述光电转换器是光电二极管阵列。

8.如权利要求4所述的光学信号监视装置，其特征在于所述光电转换器是电荷耦合器件(CCD)。

9.如权利要求1所述的光学信号监视装置，其特征在于所述信号处理单元包括：

利用相应信道的两个输出端口的损耗特性计算每个信道的波长的装置；

利用相应信道的两个输出端口的损耗特性和光功率和相应信道的波长计算每个信道的光功率的装置。

10.如权利要求3所述的光学信号监视装置，其特征在于所述信号处理单元包括：

利用相应信道的两个输出端口的损耗特性计算每个信道波长的装置；

利用相应信道的两个输出端口的损耗特性和光功率和相应信道的波长计算每个信道的光功率的装置；

以相应信道的光功率和噪声光学信号的光功率计算每个信道光学信号的信噪比(OSNR)的装置。

11.一种监视光学信号的方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)将具有N个波长的波分多路复用(WDM)信号按波长分离成每个信道的两个光学信号，以输出总计2N个光学信号；

(b)将步骤(a)的光学信号转换成数字信号；以及

(c)接收数字信号，以便利用相应信道的两个光学信号的损耗特性计算每个信道的波长和光功率。

12.如权利要求11述的方法，其特征在于所述步骤(a)包括输出所述2N个光学信号之外又输出两个噪声光学信号，其中之一的波长小于所述WDM信号的波长范围，其它的波长则大于所述WDM信号的波长范围，从而输出总计2N+2个信号。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述步骤(c)包括通过比较相应信道的光功率和噪声光学信号的光功率计算每个信道光学信号的信噪比(OSNR)。

14.如权利要求11述的方法，其特征在于所述步骤(c)包括：

利用相应信道的两个光学信号的损耗特性计算每个信道的波长；

利用相应信道的两个光学信号的光功率和相应信道的波长计算每个信道的光功率。

15.如权利要求11述的方法，其特征在于为了监视每个信道的光学信号，所述步骤(c)包括：

利用方程(1)和(2)接近与其波长有关的相应信道的所述两个端口处的损耗曲线

            P_loss1＝α₁(λ_i-λ₁)²+b₁         …(1)

            P_loss2＝α₂(λ_i-λ₂)²+b₂         …(2)

其中，P_loss1和P_loss2是在相应信道处两个端口的损耗曲线，它们作为相应信道波长λ_i的函数，α₁和α₂是损耗特性系数，b₁和b₂是损耗补偿系数，λ_i表示相应信道的波长，λ₁和λ₂表示相应信道处两个端口的波长；

利用方程(3)和(4)计算相应信道处两个输出端口的光功率

             P_out1＝P_i+[α₁(λ_i-λ₁)²+b₁]      …(3)

             P_out2＝P_i+[α₂(λ_i-λ₂)²+b₂]      …(4)

其中Pout₁和Pout₂表示相应信道处两个输出端口的光功率，P_i表示相应信道的光功率；

使方程(3)和(4)两端彼此相减，然后对λ_i求解它们，得到相应信道的波长，其中相应信道的波长λ_i在两个输出端口的波长λ₁和λ₂之间；

将相应信道的波长λ_i代入由相应信道光功率P_i的方程(3)或(4)所得的方程(5)，以计算相应信道光功率P_i

            P_i＝P_out1-[α₁(λ_i-λ₁)²+b₁]或

            P_i＝P_out2-[α₂(λ_i-λ₂)²+b₂]    …(5)

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于为了监视每个信道的光学信号，所述步骤(c)包括：

利用方程(6)和(7)，获得相应信道处两个输出端口的近似损耗曲线，它与相应信道的波长有关

            P_loss1＝α₁₁λ_i+b₁₁                …(6)

            P_loss2＝α₂₂λ_i+b₂₂                …(7)

其中P_loss1和P_loss2是相应信道处两个输出端口的损耗曲线，作为相应信道波长λ_i的函数，α₁₁和α₂₂是线性损耗特性系数，而b₁₁和b₂₂是损耗特性常数；

由方程(8)和(9)计算相应信道处两个输出端口的光功率

            P_out1＝P_i+(α₁₁λ_i+b₁₁)          …(8)

            P_out2＝P_i+(α₂₂λ_i+b₂₂)          …(9)

其中P_out1和P_ott2表示相应信道的两个信道信号的光功率，P_i表示相应信道的光功率；

由方程(10)计算相应信道的波长λ_i，它是通过对λ_i重新安排原方程(8)和(9)得到的 $\mathrm{\λi}=\frac{P_{\mathrm{out}1}-P_{\mathrm{out}2})+(b_{22}-b_{11})}{a_{11}-a_{22}}$

通过将由方程(10)所得的相应信道的波长λ_i代入方程(8)或(9)，计算相应信道的光功率P_i。

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