CN1419355A - 密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的监测方法 - Google Patents

Abstract

一种密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的监测方法，该方法较好地解决了现有技术存在的各种缺陷，其是用中心波长的功率比较来测量波长偏移，将光信号转换成电信号，再在数字域上进行快速傅立叶变换计算信噪比。本发明的方法可以适用于单波长、多波长和多通道的不同光纤通信系统，既能够同时进行光信号的波长、功率及信噪比OSNR的测量，又极大地提高了监测效率，缩短了监测时间，具有很好的应用前景。

Description

密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的监测方法

技术领域

本发明涉及一种光纤通信中对光信号的监测方法，确切地说，涉及一种密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的监测方法，属于光纤通信中的光信号测量技术领域。

背景技术

当今信息时代，众多用户的通信业务需求量在不断快速增长，从而使得密集波分复用(DWDM)业务的需求越来越迫切，要求在一根光纤中传输更多的波长信号。这样支持DWDM传输层的系统越来越复杂，因此根据网络可靠性及服务水平协议的规定，对每一个波长进行智能监测的要求也越来越紧迫。

DWDM传输系统的一个显著特点是其波长不是随意的，为了保证不同波分复用(WDM)系统之间的横向兼容性，需要对各个通路的中心波长及相邻波长间隔进行规范。因此在对各通道光波长的监测中，人们最关心的是其中心波长与该通道标准中心波长的波长漂移的绝对值。现有的监测系统的仪器设备复杂多样。其中广泛使用的光谱分析仪(OSA)功能全面，适用范围广泛，但是售价也非常昂贵。此外，利用分析仪对DWDM系统进行测量，还有许多不足之处。因此，如何根据DWDM的特点，研制开发专用的监测设备，以提高监测效率和降低成本已经成为业内非常紧迫的课题。

现在监测DWDM系统的仪器主要有光谱分析仪(OSA)及信道监测仪。监测光波长和信噪比的现有方法是使用旋转衍射光栅的光谱分析仪。这种OSA的基本原理是对所研究光谱范围的入射光在有限狭缝宽度或有限光谱宽度的光功率进行均值，相当于在波长域(或频率域)进行离散采样，用光电探测器对各离散波长光谱强度进行探测，对探测输出的正比于光强的电信号进行处理分析，从而得到光谱分布图。图1所示为早期使用的色散型光谱分析仪的狭缝、光栅色散结构的工作原理示意图。其工作原理为：光信号经过狭缝1入射到检测系统，经凹面反射镜2反射成平行光束投射到衍射光栅3上；因为不同的波长在衍射光栅上有各自对应的衍射角，因此将不同波长的光色散分离并反射到凹面反射镜4上，同时相同波长的光仍然保持平行；凹面反射镜4将入射的各平行光束汇聚，由放置在一个固定汇聚点上的光电探测器5接收该处的汇聚光。其扫描原理是根据衍射光栅3的不同角度，在探测器5接收平面处汇聚点的波长也不同，因此可以通过旋转衍射光栅3的角度来对光谱范围的波长进行扫描。其特点是结构原理简单，有较高的精度及动态范围，代价是采用了两次衍射，对仪器的机械精度要求较高，而仪器的加工工艺限制了仪器机械精度的提高，机械扫描机构的使用磨损也会影响仪器的精度及寿命；而且，扫描时间长，耗时太长也是通信监测中难以接受的。此外，不利于信噪比的测量。

随着光纤法布里-珀罗光栅滤波器(FFT-TF)、声表面波滤波器(AOTF)等性能优良的薄膜滤波器的滤波性能、可控性能的提高及可调谐范围的扩大，滤波型光谱信号分析仪的应用越来越广泛。但是只有在光信噪比几乎相同、光放大器产生放大自发射噪声平坦时，使用该方法监测光信噪比才比较实用。事实上，放大器产生的放大自发射噪声增益是不平坦的。图2所示为滤波型光谱分析仪的工作原理方框图。其工作原理是：光信号12进入滤波器6之后滤除了其余信号，输出特定波长的光信号，经滤波器6处理后的光信号13经光电探测器7探测产生与其光功率成正比的电流，该电流又经电流电压变换及放大器8和A/D转换器9处理，转化为数字信号15，再送入微处理器10进行处理而得出结果，同时还用反馈信号16控制调谐机构11扫描波长。该扫描是经由压电、热电、气电等传感原理的扫描机构进行控制的。其特点是：改善了原来因为机械特性影响精度的缺陷，且随着光滤波器性能的改进和加工工艺的提高，新型滤波器不断被研制开发出来，应用范围也在扩大之中。不足之处是不利于测量信噪比和动态范围小。

图1和图2两种类型光谱分析仪的共同特点：都是属于全谱扫描采样型，有较高的精度及动态范围，应用场合广泛，但扫描整个光谱范围耗费时间较长。

光多通道分析仪是将狭缝或光纤耦合器入射的光信号通过色散系统，按波长由小到大(或由大到小)的顺序沿垂直于狭缝的方向分开，并将色散后的光线聚焦到输出焦平面上。主要部件有狭缝或光纤耦合器、色散系统和聚焦成像系统。图3所示是一种平面波导光谱分析仪的结构原理示意图，其工作原理是：用粗箭头表示的入射光17经光纤透镜耦合进入单模平面波导19中，该单模平面波导19中刻有倾斜啁啾光栅20，将一部分光进行色散分离成为不同波长的光，另一部分光直接经由波导19形成输出光18；被倾斜啁啾光栅20色散分离并反射的光又被平面反射镜21按波长从大到小或从小到大顺序排列反射，再用阵列探测器23探测接收。22是承载整个装置的机体。这种仪器的主要优点是光学系统与分析通道相对固定，多通道同时测量，无须扫描波长，分析速度快、漂移小、无可移动部分，不容易受冲击和环境变化的影响，有利于仪器小型化。但是系统对波长范围的依赖性很大，仪器一旦设计定型，其应用光谱范围就被固定，不适合扩展使用，也不能够测量光信噪比。此外，采用阵列探测器的光谱仪的光谱分辨极限和其波长准确性是互相矛盾的。由于光电阵列探测器是由一个个相互独立的、具有一定宽度的光敏元组成，用它接收信号时，每个光敏元都只输出其对应空间位置的谱线信息。它的探测间隔是由光敏元中心距决定的固定值，其对光谱信号的获取，就可能因为探测器过于稀疏而不能获取足够的光谱信息，使得探测结果与实际情况存在误差，从而导致色散型光谱仪分辨极限及其波长定位精度下降。另一方面，若谱线太窄(小于光敏元中心距的5倍)，会降低系统的光谱分辨极限和波长准确性，而且很难从探测阵列的输出来估计实际光谱形状。DWDM系统的各信道信号的谱线很窄，用色散型的阵列探测光谱仪检测波长的准确性会受影响。而且，上述的三种方法都无法或不利于测量光信噪比。

发明内容

本发明的目的是提供一种密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的监测方法，该方法较好地解决了现有技术存在的各种缺陷，能够同时进行光信号的波长、功率和信噪比的测量。并且大大提高监测效率，缩短监测时间。

本发明的目的是这样实现的：一种密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的监测方法，其特征在于：该方法在单波长光通信系统中，包括有下列步骤：

(1)用光耦合器将通信光信号分成为两部分，其中较小功率部分的光信号用作监测信号；

(2)监测光信号被送入1×3的光功分器，将其分为等功率的三路光，分别送入三条光路进行处理；

(3)第一路监测光先被送入薄膜干涉滤波器，滤波后输出的光信号经由光电探测器探测和转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号再经由电流电压变换及放大器放大和由A/D转换器将其转化为数字信号，送入微处理器；

(4)第二路监测光信号直接送入光电探测器转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号经由电流电压变换及放大器转化为有利于分析的电压信号；再送入A/D转换器转化为数字信号，送入微处理器；

(5)第三路监测光信号直接送入光电探测器转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号经由只接收交流电流信号的电流电压变换及放大器放大处理和转化为电压信号；再送入A/D转换器转化为数字信号后，送入快速傅立叶(FFT)器进行处理，之后送入微处理器；

(6)微处理器对第一路和第二路输入的数字信号进行比较计算，其比值即为与波长有关的比例波长值，再查询比例波长值与波长数据对照表，得出该比例波长值所对应的波长；其中第二路输入的光信号值与信号功率值成正比，可作为该信道信号总功率P_total的等效参考数值；利用第三路和第二路输入的两路数字信号进行计算，可以得出该信道光信号的信噪比(OSNR)。

所述的步骤(1)中的光耦合器的耦合比例范围在10∶1～20∶1之间。

所述的步骤(3)中的薄膜干涉滤波器是以预测的波长为中心波长，该薄膜干涉滤波器的带宽则取决于测量精度的要求。

所述的步骤(8)中计算光信号信噪比的计算公式为：

噪声强度N_total＝冲击噪声N_beat+非冲击噪声N_nonbeat

信号总功率P_total＝有效信号功率P_sig+放大器自发射噪声P_ase $=P_{\mathrm{sig}}(1+\frac{1}{\mathrm{OSNR}}\frac{B_0}{R})$

冲击噪声 $N_{\mathrm{beat}}=A(2P_{\mathrm{sig}}{P}_{\mathrm{ase}}\frac{1}{B_0}+P_{{\mathrm{ase}}^2}\frac{1}{B_0})$ $=2\frac{A}{R}{P}_{{\mathrm{sig}}^2}(\frac{1}{\mathrm{OSNR}}+\frac{B_0}{2R\·{\mathrm{OSNR}}^2})$

式中：A为光信号放大器及交流信号放大器的放大常数；R为分辨率，由测量精度要求决定；B₀为光信号预设带宽，由具体信号及测量精度要求决定。

该方法用于多波长光通信系统时，其中步骤(2)中监测光信号在被送入到1×3的光功分器，将其分为等功率的三路光之前，先被送入一个可调谐光带通滤波器进行处理，之后分别送入三条光路；而步骤(3)中第一路监测光先被送入可调谐光纤法布里-珀罗滤波器滤波，该滤波器应与步骤(1)中的可调谐光带通滤波器同步调节，且两者的中心波长相同；滤波后输出的光信号经由光电探测器探测和转化为与光功率大小成比例的电流信号；再经由电流电压变换及放大器放大和A/D转换器将其转化为数字信号，送入微处理器；其它操作步骤皆与单波长光通信系统的监测方法相同。

该方法用于多波长光通信系统时，所述的步骤(2)中的可调谐光带通滤波器是以预测的波长为中心波长，其带宽取决于每个信道的信号带宽及相邻信道的间隔。

该方法用于多通道光通信系统时，其中步骤(2)中监测光信号在被送入到1×3的光功分器，将其分为等功率的三路光之前，先被送入一个光纤滤波传感阵列和光开关阵列进行处理，该光纤滤波传感阵列的每个传感支路都有其各自的中心波长，之后分别送入三条光路；其它操作步骤皆与单波长光通信系统的监测方法相同。

本发明是一种用于密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的新型监测方法：用中心波长的功率比较来测量波长偏移，将光信号转换成电信号，再在数字域上进行快速傅立叶变换计算信噪比。本发明的方法可以适用于单波长、多波长和多通道的不同光纤通信系统，既能够同时进行光信号的波长、功率及信噪比OSNR的测量，又极大地提高了监测效率，缩短了监测时间，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是早期使用的色散型光谱分析仪的工作原理示意图。

图2是现在使用的滤波型光谱仪的工作原理方框图。

图3是现在使用的平面波导光谱分析仪的结构原理示意图。

图4是本发明在单波长光通信系统中监测波长、功率、信噪比的装置结构及操作方法示意图。

图5是本发明在多波长光通信系统中监测波长、功率、信噪比方的装置结构及操作方法示意图。

图6是本发明在多通道光通信系统中监测波长、功率、信噪比方的装置结构及操作方法示意图。

具体实施方式

本发明是一种密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的监测方法，首先说明本发明用于DWDM系统中对一个信道的单波长光信号的监测方法。参见图4，一个信道的单波长入射光25经光纤24送到耦合比例范围在20∶1～10∶1之间的光耦合器36，被分为两部分：其中大部分功率的光信号27经由光纤26输出，而大约5％～10％的较小功率部分的光29作为监测信号，经光纤28被引入本监测装置；再经由1×3的光功分器37分为等功率的三路光，分别送入三条光路进行处理。其中第一路监测光31通过光纤30先被送入薄膜干涉滤波器38，该薄膜干涉滤波器38是以预测的波长为中心波长，其带宽则取决于测量精度的要求。滤波后输出的光信号经由光电探测器39探测和转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号再经由电流电压变换及放大器42放大和由A/D转换器45将其转化为数字信号50，送入微处理器49。第二路监测光信号33通过光纤32直接送入光电探测器40转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号经由电流电压变换及放大器43转化为有利于分析的电压信号；再送入A/D转换器46转化为数字信号51，也送入微处理器49。第三路监测光信号35通过光纤34直接送入光电探测器41转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号经由只接收交流电流信号的电流电压变换及放大器44进行放大处理和转化为电压信号；再送入A/D转换器47转化为数字信号后，送入快速傅立叶(FFT)器48进行数字处理，得到数字信号52并送入微处理器49。微处理器49对第一路和第二路输入的数字信号50、51进行比较计算，其比值即为与波长有关的比例波长值，再查询比例波长值与波长数据对照表，得出该比例波长值所对应的波长。而第二路输入的光信号值与信号功率值成正比，可作为该信道信号总功率P_total的等效参考数值。利用第三路和第二路输入的两路数字信号52、51进行计算，即计算第三路信号经处理后的交流成分的噪声强度，再比较两路光信号的被测信号强度，可以计算得到该信道光信号的光信噪比(OSNR)。其计算光信号信噪比的计算公式为：

噪声强度N_total＝冲击噪声N_beat+非冲击噪声N_nonbeat

信号总功率P_total＝有效信号功率P_sig+放大器自发射噪声P_ase $=P_{\mathrm{sig}}(1+\frac{1}{\mathrm{OSNR}}\frac{B_0}{R})$

冲击噪声 $N_{\mathrm{beat}}=A(2P_{\mathrm{sig}}{P}_{\mathrm{ase}}\frac{1}{B_0}+P_{{\mathrm{ase}}^2}\frac{1}{B_0})$ $=2\frac{A}{R}{P}_{{\mathrm{sig}}^2}(\frac{1}{\mathrm{OSNR}}+\frac{B_0}{2R\·{\mathrm{OSNR}}^2})$

式中：A为光信号放大器及交流信号放大器的放大常数；R为分辨率，由测量精度要求决定；B₀为光信号预设带宽，由具体信号及测量精度要求决定；其中OSNR是相对于分辨率R的信噪比。当OSNR很高(＞30dB)时，噪声功率密度几乎为常数。因为在该OSNR范围内，非冲击噪声N_nonbeat占主导地位。因此，把OSNR设为35dB并测量噪声功率密度，从而获得非冲击噪声。这里，A、B₀和R是常数，只要测量P_total、N_total就可以估算出P_sig和OSNR的值。

通常，一根光纤的波长偏移、功率及信噪比OSNR的测量的系统结构决定了监测速率与仪器设备成本。前面所述的是本发明对单波长光信号的监测方法，对于DWDM系统来说，每根光纤上要传输多个有各自中心波长的光信号，因此本发明还有两种对应多波长和多通道光纤通讯系统的检测方法：

(1)参见图5，用于多波长光通信系统时，监测光信号25经由光纤24和光耦合器36被送入到1×3的光功分器37，将其分为等功率的三路光之前，先要被送入一个可调谐光带通滤波器53进行处理，该可调谐光带通滤波器53是以预测的信道标准波长为中心波长，其带宽取决于每个信道的信号带宽及相邻信道的间隔。之后分别送入三条光路；其中第一路监测光31经由光纤30先被送入可调谐光纤法布里-珀罗滤波器54滤波，该滤波器54应与所述的可调谐光带通滤波器53同步调节，且两者的中心波长相同，其带宽可设为常数，也可改变带宽，但应小于滤波器53的带宽。滤波后输出的光信号经由光电探测器39探测、转化为与光功率大小成比例的电流信号；再经由电流电压变换及放大器42放大和A/D转换器45将其转化为数字信号50，送入微处理器49。其它操作步骤皆与单波长光通信系统的监测方法相同，不再赘述。

(2)参见图6，用于多通道光通信系统时，在将监测光信号25送入到1×3的光功分器37，将其分为等功率的三路光之前，先被送入一个光纤滤波传感阵列55和光开关阵列56进行处理，该光纤滤波传感阵列55的每个传感支路都有其各自的中心波长，之后分别通过各个传感模块的三个输出口送出三条光路，由光开关阵列56每次选通三路进行后续信号处理。其它操作步骤皆与单波长光通信系统的监测方法相同，不再赘述。该方法可以较好地处理监测时间与监测精度之间的矛盾关系，改善监测性能，还可以提高检测系统的稳定性和有利于提高检测装置的集成化与小型化。

Claims (7)

1、一种密集波分复用光纤通信的波长、功率和信噪比的监测方法，其特征在于：在单波长光通信系统中，该方法包括有下列步骤：

(1)用光耦合器将通信光信号分成为两部分，其中较小功率部分的光信号用作监测信号；

(2)监测光信号被送入1×3的光功分器，将其分为等功率的三路光，分别送入三条光路进行处理；

(3)第一路监测光先被送入薄膜干涉滤波器，滤波后输出的光信号经由光电探测器探测和转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号再经由电流电压变换及放大器放大和由A/D转换器将其转化为数字信号，送入微处理器；

(4)第二路监测光信号直接送入光电探测器转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号经由电流电压变换及放大器转化为电压信号；再送入A/D转换器转化为数字信号，送入微处理器；

(5)第三路监测光信号直接送入光电探测器转化为与光功率大小成比例的电流信号；该电流信号经由只接收交流电流信号的电流电压变换及放大器放大处理和转化为电压信号；再送入A/D转换器转化为数字信号后，送入快速傅立叶(FFT)器进行处理，之后送入微处理器；

(6)微处理器对第一路和第二路输入的数字信号进行比较计算，其比值即为与波长有关的比例波长值，再查询比例波长值与波长数据对照表，得出该比例波长值所对应的波长；其中第二路输入的光信号值与信号功率值成正比，可作为该信道信号总功率P_total的等效参考数值；利用第三路和第二路输入的两路数字信号进行计算，可以得出该信道光信号的信噪比(OSNR)。

2、根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的光耦合器的耦合比例范围在20∶1～10∶1之间。

3、根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的薄膜干涉滤波器是以预测的波长为中心波长，该薄膜干涉滤波器的带宽则取决于测量精度的要求。

4、根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：所述的步骤(8)中计算光信号信噪比的计算公式为：

噪声强度N_total＝冲击噪声N_beat+非冲击噪声N_nonbeat

信号总功率P_total＝有效信号功率P_sig+放大器自发射噪声P_ase $=P_{\mathrm{sig}}(1+\frac{1}{\mathrm{OSNR}}\frac{B_0}{R})$

冲击噪声 $N_{\mathrm{beat}}=A(2P_{\mathrm{sig}}{P}_{\mathrm{ase}}\frac{1}{B_0}+P_{{\mathrm{ase}}^2}\frac{1}{B_0})$ $=2\frac{A}{R}{P}_{{\mathrm{sig}}^2}(\frac{1}{\mathrm{OSNR}}+\frac{B_0}{2R\·{\mathrm{OSNR}}^2})$

式中：A为光信号放大器及交流信号放大器的放大常数；R为分辨率，由测量精度要求决定；B₀为光信号预设带宽，由具体信号及测量精度要求决定。

5、根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：该方法用于多波长光通信系统时，其中步骤(2)中监测光信号在被送入到1×3的光功分器，将其分为等功率的三路光之前，先被送入一个可调谐光带通滤波器进行处理，之后分别送入三条光路；而步骤(3)中第一路监测光先被送入可调谐光纤法布里-珀罗滤波器进行滤波，该滤波器应与步骤(1)中的可调谐光带通滤波器同步调节，且两者的中心波长相同；滤波后输出的光信号经由光电探测器探测和转化为与光功率大小成比例的电流信号；再经由电流电压变换及放大器放大和A/D转换器将其转化为数字信号，送入微处理器；其它操作步骤皆与单波长光通信系统的监测方法相同。

6、根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于：该方法用于多波长光通信系统时，所述的步骤(2)中的可调谐光带通滤波器是以预测的波长为中心波长，其带宽取决于每个信道的信号带宽及相邻信道的间隔。

7、根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：该方法用于多通道光通信系统时，其中步骤(2)中监测光信号在被送入到1×3的光功分器，将其分为等功率的三路光之前，先被送入一个光纤滤波传感阵列和光开关阵列进行处理，该光纤滤波传感阵列的每个传感支路都有其各自的中心波长，之后分别送入三条光路；其它操作步骤皆与单波长光通信系统的监测方法相同。

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