CN1720680A - 利用可调光带通滤波器和偏振致零方法的光信噪比监测方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种监测波分复用光传输系统中光信噪比的方法和设备。为了更可靠地监测所述光信噪比，本发明通过在光信噪比的实时测量中考虑所述光系统的有限偏振致零率、偏振模色散和非线性双折射，利用偏振致零法和可调光带通滤波器，以可靠地监测OSNR。进一步地，所述可调光带通滤波器可被控制来滤波波分复用信号的所有波长带。由于本发明可使用一个单独的设备监测多个解复用的光信号，所述光信噪比监测设备的整体成本明显降低。

Description

利用可调光带通滤波器和偏振致零方法的光信噪比监测方法和设备

技术领域

本发明涉及光通信网络中监测光信噪比(optical signal to noise ratio，简称OSNR)的方法和设备，特别涉及通过利用可调光带通滤波器和偏振致零方法自动监测波分复用(wavelength division multiplexing，简称WDM)光传输系统的每个光通道的光信噪比的方法和设备。

背景技术

对于超大容量WDM光通信网络的可靠操作和管理来讲，对系统的传输性能和特征的密切检测是本质上必需的。光信噪比定义为某光信号带中传输的光信号功率与噪声信号功率的比率。对该比率的精确测量使得诊断该光传输系统的系能成为可能。

传统的光信噪比测量方法中，光信噪比是通过基于一光信号带外部的其它频带的放大自发辐射(amplified spontaneous emission，简称ASE)噪声强度，在该光信号带中线性内插该放大自发辐射噪声强度被测量的(H.Suzukiand N.Takachino，Electronic Letter Vol.35，pp.836-837，1999)。在该线性插值法中，一光信号带的ASE噪声估计等于其它频带的恒定ASE噪声。如图1所示，每个信号带的ASE噪声估计位于虚线所表示的水平。因此，每个信号带的光信噪比基于这一估计的ASE噪声被确定。

然而，如图2所示，在各个光信号可通过不同的光路和不同数量的掺铒光纤放大器(EDFA)传输的WDM光传输系统中，每个光信号带中包括的ASE噪声可均不相同。这样的传输系统的光信号带中包括的实际ASE噪声会不同于通过图1所示的线性插值法估计出来的ASE噪声。因此，通过利用线性插值法正确地测量光信噪比是不可能的。

为了解决上述问题，韩国专利第341825号“利用偏振致零方法的光信噪比监测方法和设备”公开了一种通过偏振致零方法测量光信噪比的方法，该方法利用了光信号和ASE噪声的偏振特性。以下将结合图3对传统的利用偏振致零方法的光信噪比测量进行描述。包含有ASE噪声的波分复用光信号被波导衍射光栅11解复用。具有偏振特性的光信号顺序地通过四分之一波片12和线性偏振器13。例如，如果该四分之一波片以15Hz的速率旋转，且该线性偏振器13以0.1Hz速率旋转，该光信号的最小功率和最大功率可基于含有ASE噪声的该光信号的偏振特性被测量。当该线性偏振器13的偏振状态与从四分之一波片12中输出的光信号的偏振状态相互一致时，被测量的光信号的功率被最大化。另一方面，当该线性偏振器13的偏振状态与从四分之一波片12中输出的光信号的偏振状态彼此正交时，该光信号成分被阻挡，仅ASE噪声成分被输出。因此，被测量的光信号的功率最小化。

通过线性偏振器13后光信号被光电探测器(photo detector，简称PD)14转换成电压。然后，该电压被对数放大器15(log amplifier)放大后传输并显示在示波器16上。计算机17计算显示在示波器16上的电压的最小功率和最大功率。从该最小功率和最大功率，计算机17计算该信号的功率以及其ASE噪声，然后确定该光信号的信噪比。

传统的仅仅运用偏振致零方法的光信噪比监测方法假定线性偏振器13的偏振致零函数是理想的，也就是说，致零率无限大。但是，该方法没有考虑线性偏振器的偏振致零率为有限值的情况。进一步地，传统的光信噪比监测方法没有考虑光信号的偏振因光纤的偏振模色散和非线性双折射而被干扰的现象。因此，传统的光信噪比监测方法用途有限。

偏振模色散意味着沿依据光纤或光学设备的偏振特性产生的沿彼此正交的两个偏振轴传输的两个信号成分之间有时间差。由于该偏振模色散对环境的变化如温度和外部压力很敏感，其可能随时间的不同而变化。

进一步地，非线性双折射是因光纤的折射率根据光信号强度发生改变而产生的双折射。当多个光信号同时通过一个光纤传输时，非线性双折射迅速改变相邻通道的偏振状态。由于偏振的该改变依据通道间的偏振状态而不同，该非线性双折射的合成效果也随时间不同而变化。

而且，传统的仅仅运用偏振致零方法的光信噪比监测方法中，因为偏振模色散和非线性双折射，易发生不可预知的错误。换句话说，当通过线性偏振器13时，具有与线性偏振器13的偏振状态正交的偏振成分的光信号不能完全被移除。这是因为线性偏振器13的偏振致零率是有限值(即非理想的)，且光纤会产生光信号的偏振模色散和非线性双折射。因此，由于传统的光信噪比监测方法没有考虑这些问题，光信噪比测量的精确度被降低。

此外，传统的仅仅运用偏振致零方法的光信噪比监测方法须具有波导衍射光栅11来解复用WDM光信号，且每一个被解复用的光信号须有一个光信噪比监测设备，因此设备的成本变高。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题。本发明的一个目的是提供一种利用偏振致零方法和可调光带通滤波器监测波分复用(WDM)光传输系统中光信噪比(OSNR)的方法和设备，以改变光带的中心波长。

本发明的另一个目的是提供一种能够更精确的测量光信噪比的光信噪比监测方法和设备，能够实时考虑光系统的有限偏振致零率、偏振模色散和非线性双折射。

根据本发明实现上述目的的一方面，提供一种监测中心波长为λ₁、…、λ_i、…λ_n(i＝1、2、…、n)的波分复用光信号的光信噪比(OSNR)的设备，包括：偏振控制器，用于控制波分复用光信号的偏振状态；可调光带通滤波器，用于改变其中心波长λ_v和滤波波分复用光信号中将要被测量光信噪比(OSNR)的中心波长为λ_i的光信号；光信号分离设备，用于将滤波后的光信号分为第一光信号和第二光信号；线性偏振器，用于线性偏振所述第二光信号；光信噪比测量设备，用于通过测量所述第一光信号和已通过所述线性偏振器的第二光信号的功率来计算所述光信噪比。

当λ_v与λ_i一致时，所述光信噪比测量设备获得第一光信号的功率P₁和当用所述偏振控制器主动地控制偏振状态时通过线性偏振器的第二光信号的最小功率P₂。当λ_v以预定距离从λ_i移位时，所述光信噪比测量设备获得第一光信号的功率P₃和当用所述偏振控制器主动地控制偏振状态时通过线性偏振器的第二光信号的最小功率P₄。然后，所述光信噪比测量设备使用测得的功率P₁、P₂、P₃和P₄计算光信噪比。这时，当已通过所述偏振控制器的光信号的偏振状态与所述线性偏振器的偏振状态正交时，已通过线性偏振器的所述第二光信号的功率被最小化。所述可调光带通滤波器的中心波长λ_v从λ_i移位的频带距离被确定，使得中心波长为λ_i的光信号的至少一部分可由所述可调光带通滤波器测量。

优选地，所述光信噪比监测设备进一步包括偏振控制信号发生器，用于产生预定的偏振控制信号以便所述偏振控制器可控制所述光信号的偏振状态。

优选地，所述光信噪比监测设备进一步包括波长控制信号发生器，用于产生预定的波长控制信号以便可调光带通滤波器的中心波长λ_v可在λ₁到λ_n的范围内变化。

根据本发明的另一方面，提供一种监测中心波长为λ1、…λi、…λn(i＝1、2、…、n)的波分复用光信号的光信噪比(OSNR)的设备，包括：偏振控制器，用于控制波分复用光信号的偏振状态；可调光带通滤波器，用于改变其中心波长λv和滤波波分复用光信号中将要被测量光信噪比的中心波长为λi的光信号；偏振光束分离器，用于将滤波后的光信号分为两个偏振状态彼此正交的光信号；光信噪比测量设备，用于利用偏振状态彼此正交的两个光信号的功率计算所述光信噪比。

当λ_v与λ_i一致时，通过利用偏振控制器控制光信号的偏振状态，所述光信噪比测量设备获得具有与所述偏振控制器的偏振状态一致的偏振成分的光信号的功率P₁和具有与所述偏振控制器的偏振状态正交的偏振成分的光信号的功率P₂。当λ_v以预定距离从λ_i移位时，通过利用偏振控制器控制光信号的偏振状态，所述光信噪比测量设备获得具有与所述偏振控制器的偏振状态一致的偏振成分的光信号的功率P₃和具有与所述偏振控制器的偏振状态正交的偏振成分的光信号的功率P₄。进一步地，所述光信噪比测量设备利用测得的功率P₁、P₂、P₃和P₄计算所述光信噪比。所述可调光带通滤波器的中心波长λ_v从λ_i移位的频带距离被确定，使得中心波长为λ_i的光信号的至少一部分可由中心波长为λ_v的所述可调光带通滤波器测量。

更优地，所述光信噪比监测设备进一步包括偏振控制信号发生器单元，用于产生一定的偏振控制信号，以便所述偏振控制器能够控制光信号的偏振状态。

优选地，所述光信噪比监测设备进一步包括波长控制信号发生器单元，用于产生一定的波长控制信号，以便所述可调光带通滤波器的中心波长λ_v能够在λ₁到λ_n范围内变化。

附图说明

图1是通过传统线性插值法获得的光信号带中ASE噪声的示意图；

图2是包括在通过不同的路径和不同数量的掺铒光纤放大器的每一光信号带中的ASE噪声的一个示例的示意图；

图3是传统的利用偏振致零方法的光信噪比监测设备的结构示意图；

图4是根据本发明的光信噪比监测方法的原理示意图；

图5是根据本发明的光信噪比监测设备的第一实施例的示意图；

图6是根据本发明的光信噪比监测设备的第二实施例的示意图；

图7是根据本发明证明光信噪比监测设备有效性的实验设备的示意图；

图8是根据图7所示的实验设备测得的光信噪比的曲线图；

图9是根据本发明的光信噪比监测设备的第三实施例的示意图；

图10是根据本发明的光信噪比监测设备的第四实施例的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明较佳实施例的结构和操作进行详细描述，其中附图中相同的标号数字表示同一个部件。

图4说明根据本发明的光信噪比监测方法的原理，图5展示根据本发明的光信噪比监测方法的第一实施例。

通过波分复用(WDM)光通信网络传输并包含有放大自发辐射(ASE)噪声的光信号的一部分被99∶1的定向耦合器20分离而后被用于测量光信噪比(OSNR)。该99∶1定向耦合器20提取该光信号的一部分，该部分具有包含ASE噪声的该光信号的1/100强度，然后将从该光信号中该提取出来的部分输入给偏振控制器22。

偏振控制器22接收来自偏振控制信号发生器38的偏振控制信号，调整光信号的偏振状态，使得从线性偏振器26中输出的包含有ASE噪声的该光信号的强度被最小化。进一步地，偏振控制器22执行偏振致零方法。根据该偏振致零，具有与线性偏振器26的偏振状态正交的偏振状态的光信号通过线性偏振器26时被阻挡住。当已被偏振控制器22线性偏振的光信号的偏振状态与线性偏振器26的偏振状态正交时，从线性偏振器26中输出的包含有ASE噪声的该光信号的强度被最小化。

这时，该光信号在通过偏振控制器22时被线性偏振，但是分布在宽频谱上的ASE噪声在通过偏振控制器22时未被偏振。通过偏振控制器22时，该光信号的强度和ASE噪声的强度并未被改变。

进一步地，当该光信号的偏振状态与线性偏振器的偏振状态精确正交时，线性偏振后的光信号在通过线性偏振器26时应被完全阻挡。然而，如上所述，由于线性偏振器26的有限偏振致零率、光纤的偏振模色散和非线性双折射，线性偏振后的光信号并未被完全消除。通过线性偏振器26时ASE噪声的线性偏振成分保留下来，并且其功率减至一半。

该线性偏振器26可以是光纤光学设备，具有固定的偏振状态。因此，通过控制偏振控制器22使光信号的偏振状态与该线性偏振器26的偏振状态正交是可能的。该偏振控制器22可利用光纤和压电设备来实现。本领域的普通技术人员可知，线性偏振器26和偏振控制器22并不限于此，还可使用各种设备来实现。

通过偏振控制器22后的包含有ASE噪声的光信号被输入可调光带通滤波器24。该可调光带通滤波器24的通带被调整以仅使一个光信号通道通过而不影响相邻的通道，如图4所示。该可调光带通滤波器24接收来自波长控制信号发生器40的波长控制信号来移位所述通带的中心波长λ_v。这时，根据来自波长控制信号发生器40的波长控制信号，可控制可调光带通滤波器24滤掉波分复用信号的所有波长。因此，本发明无需使用解复用器如波导衍射光栅就可以测量波分复用信号的光信噪比。

进一步地，根据来自波长控制信号发生器40的波长控制信号，可控制可调光带通滤波器24对具有从将被测量光信噪比的光信号的中心波长λ_i预定距离的移位的光信号进行滤波，如图4所示。构造为微机电系统(MEMS)、法布里-珀罗(Fabry-Perot)可调滤波器、含有光栅的集成光学设备、多层薄膜设备、声光滤波器或类似设备的半对称式空腔谐振器可用作可调光带通滤波器24。为了达到光信噪比测量的精确度，优选地使用具有比光信号的通带更窄的通带的窄带可调光滤波器，且该滤波器最好使用基于微机电系统的半对称式空腔谐振器制作。

以下将说明本发明光信噪比监测方法的原理。依据波长控制信号发生器40提供的波长控制信号，可调光带通滤波器24的中心波长λ_v被控制与将被测量光信噪比的光信号的中心波长λ_i一致。由99∶1定向耦合器20提取出来的光信号通过偏振控制器22和可调光带通滤波器24。然后该信号由1∶1定向耦合器28分为第一和第二光信号。第一光信号包含有ASE噪声，可以通过光电检测器30a进行光电转换，然后由模-数转换器32沿路径1转换成数字信号。随后，功率计算器34计算包含有ASE噪声的第一光信号的功率P₁。

之后，保持可调光带通滤波器24的中心波长λ_v与光信号的中心波长λ_i一致的状态，依据来自偏振控制信号发生器38的偏振控制信号，调整通过偏振控制器22的光信号的偏振状态。沿着路径2，被1∶1定向耦合器分出来含有ASE噪声的第二光信号通过线性偏振器26，并可由光电检测器30b进行光电转换。随后，功率计算器34计算包含有线性偏振ASE噪声的第二光信号的功率。

偏振控制器22的偏振状态在预定的范围内被扫描，且计算出来的信号功率中的最小值被搜索。如上所述，当通过偏振控制器22的光信号的偏振状态与线性偏振器26的偏振状态正交时，功率计算器34计算的包含有ASE噪声的光信号的功率被最小化。这时获得包含有ASE噪声的该光信号的功率P₂。

然后，如图4所示，根据来自波长控制信号发生器40的波长控制信号，可调光带通滤波器24的中心波长λ_v以一定的距离从光信号的中心波长λ_i移位。该波长移位距离被确定以便可调光带通滤波器24可使将被测量光信噪比的光信号的至少一部分通过。为了达到光信噪比测量的精确度，优选地，当光信号的传输率是RGbps时，所述距离是大约0.3～3RGHz。例如，当光信号的传输率是10Gbps时，调整可调光带通滤波器24的中心波长λ_v从该光信号的中心波长λ_i移位3～30GHz。依据波长控制信号发生器40提供的波长控制信号，可调光带通滤波器24的中心波长λ_v可被调整以一预定距离从光信号的中心波长λ_i的右边或者左边移位。

若可调光带通滤波器24的通带被移位，由于光带通滤波器24具有的传输特性，测得的光信号的强度变得比通带移位前的强度小。但是，因ASE噪声均匀地分布在宽频谱上，该ASE噪声的强度具有一充分恒定的值。沿着路径1，包含有ASE噪声并被1∶1定向耦合器28分离出来的第一光信号可被光电检测器30a进行光电转换，然后由模-数转换器(ADC)32a转换成数字信号。功率计算器34计算该包含有ASE噪声的第一光信号的功率P₃。

随后，保持可调光带通滤波器24的中心波长λ_v以预定距离由光信号的中心波长λ_i移位的状态，依据来自偏振控制信号发生器38的偏振控制信号，调整通过偏振控制器22的光信号的偏振状态。沿着路径2，包含有ASE噪声并被1∶1定向耦合器28分离出来的第二光信号在通过线性偏振器26后可被光电检测器30b进行光电转换。然后由模-数转换器32b转换成数字信号。功率计算器34计算该包含有线性偏振ASE噪声的第二光信号的功率。

为了获得计算出来的功率中的最小值，在预定的范围内扫描偏振控制器22的偏振状态。如上所述，当通过偏振控制器22的光信号的偏振状态与线性偏振器26的偏振状态正交时，功率计算器34计算出来的包含有ASE噪声的光信号的功率被最小化。这时获得包含有ASE噪声的光信号的功率P₄。

前面提到的功率P₁、P₂、P₃、P₄可用下面的公式表示：

P₁＝P_S1(1-ε)+S_ASEB₀，

P₂＝P_S1ε+0.5S_ASEB₀，

P₃＝P_S2(1-ε)+S_ASEB₀，

P₄＝P_S2ε+0.5S_ASEB₀，                               …(1)

其中P_S1是当λ_v等于λ_i时通过可调光带通滤波器24的光信号的强度(Watt)，且该强度并未包括ASE噪声的强度；P_S2是当λ_v以预定距离从λ_i移位时通过可调光带通滤波器24的光信号的强度(Watt)，且该强度并未包括ASE噪声的强度；S_ASE是ASE噪声的功率密度(watt/nm)；B₀是可调光带通滤波器24的带宽(nm)；ε是线性偏振器26的偏振致零率。

因此，S_ASEB₀表示通过可调光带通滤波器24的ASE噪声的功率。P_S1ε和P_S2ε表示光信号的强度，由于有限偏振致零率，当通过偏振控制器22的光信号的偏振状态与线性偏振器26的偏振状态正交时，该强度仍被测量。理想的情况下，即ε＝0时，光电检测器30b将仅为P₂和P₄测量ASE噪声。P₂和P₄中的ASE噪声的强度是P₁和P₃中的ASE噪声的强度的一半的原因是沿路径2通过线性偏振器26后P₂和P₄中的ASE噪声的功率减至一半。

根据等式1，ε、P_S1、S_ASE和光信噪比可按照下述获得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(P_2-P_4)}{(P_1-P_3+P_2-P_4),}$

$P_{S1}=\frac{(P_1-2P_2)}{(1-3\mathrm{\ϵ})},$

$S_{\mathrm{ASE}}=\frac{2(P_2-P_{S1}\mathrm{\ϵ})}{B_0},$

$\mathrm{OSNR}=\frac{P_{S1}}{S_{\mathrm{ASE}}{B}_r}=\frac{(P_1-{2P}_2)}{2(1-3\mathrm{\ϵ})(P_2-P_{S1})}\frac{B_0}{B_r},......\left(2\right)$

其中，B_r是分辨率(nm)，是用于确定计算所述光信噪比的ASE噪声的功率的参考带宽。光信噪比计算器36根据公式2从功率计算器34计算得到的P₁、P₂、P₃和P₄计算光信噪比。

其间，ε的值可通过光传输系统的偏振模色散和非线性双折射再加上线性偏振器26固有的有限偏振致零率来确定。由于依赖于偏振模色散和非线性双折射，偏振状态随时间而改变，ε的值也可随时间连续改变。本发明使用等式2通过实时考虑时间的变化对光信噪比的ε值的影响，能够提高光信噪比的测量精确度。

为了更精确地测量光信噪比，需要在调整偏振控制器后测量P₂和P₄，以使ε的值被最小化。这意味着通过具有有限(即非理想的)偏振致零率的线性偏振器26后的光信号的强度应被最小化。换句话说，ASE噪声的强度和光信噪比能够通过调整偏振控制器22更精确地被测量，以使得包括在P₂和P₄中的光信号成分的值(P_S1ε，P_S2ε)小于或近似于放大自发辐射光噪声的强度(0.5S_ASEB₀)。

尽管在第一实施例中已经描述了测量光信噪比时光信号的功率P₁、P₂、P₃和P₄按照这一顺序进行测量，本领域的普通技术人员可知，该顺序并不限于此。由于除了测量顺序外该测量光信号功率的方法与第一实施例的相同，因而省略对该方法的详细说明。

图6是根据本发明的光信噪比监测设备的第二实施例的示意图。

99∶1定向耦合器20提取强度只有包含有ASE噪声的光信号的1/100的光信号的一部分，然后将该提取出的光信号的一部分输入偏振控制器22。

偏振控制器22接收来自偏振控制信号发生器38的偏振控制信号并进行操作，以使从偏振光束分离器42中输出的光信号被分成两个具有彼此正交的偏振成分的光信号。也就是说，一具有与偏振控制器22的偏振状态相同的偏振状态的光信号沿路径3继续，一具有与偏振控制器22的偏振状态正交的偏振状态的光信号沿路径4继续。

一般来说，要求在通过偏振光束分离器的光信号中，与通过偏振控制器后的光信号的偏振状态正交的光信号成分完全被消除。但是，由于偏振光束分离器的有限偏振致零率、偏振模色散和非线性双折射，该光信号成分并未完全被消除。进一步地，通过偏振光束分离器后ASE噪声的线性偏振成分保留下来，且ASE噪声的功率被减至一半。

然后已通过偏振控制器22的包含有ASE噪声的光信号被输入给可调光带通滤波器24。由于可调光带通滤波器24的结构和工作特性与结合图5描述的第一实施例的相同，因而省略详细的描述。

将结合图4和图6说明本发明光信噪比监测方法的原理。依据来自波长控制信号发生器40的波长控制信号，可调光带通滤波器24的中心波长λ_v被调整为与将被测量光信噪比的光信号的中心波长λ_i一致。然后，根据偏振控制信号发生器38提供的偏振控制信号，调整通过偏振控制器22的光信号的偏振状态。

沿路径3，具有与偏振控制器22的偏振状态一致的偏振成分的光信号与ASE噪声一起由光电检测器30a进行光电转换，然后由模-数转换器32a转换成数字信号。功率计算器34计算包含有线性偏振ASE噪声的该光信号的功率P₁。

沿路径4，具有与偏振控制器22的偏振状态正交的偏振成分的光信号可由光电检测器30b进行光电转换，然后由模-数转换器32b转换成数字信号。功率计算器34计算包含有线性偏振ASE噪声的该光信号的功率P₂。为了获得光电检测器30b检测的光信号的功率中的最小值，在预定的范围内扫描偏振控制器22的偏振状态。当具有与偏振控制器22的偏振状态正交的偏振成分的光信号在路径4中被检测时，由功率计算器34计算得到的该包含有ASE噪声的光信号的功率被最小化。这时，包含有ASE噪声的光信号的功率P₂被检测。由于光信号被偏振光束分离器42分成两个具有彼此正交的偏振成分的光信号，功率P₁和P₂被同时测量。

然后，如图4所示，按照波长控制信号发生器40提供的波长控制信号，可调光带通滤波器24的中心波长λ_v以预定距离从光信号的中心波长λ_i移位。该预定距离是确定的，以使得可调光带通滤波器24可使将被测量光信噪比的光信号的至少一部分通过，如第一实施例所述。进一步地，考虑到光信噪比测量的精确性，优选地当光信号的传输率是RGbps时，移位距离在0.3～3RGHz的范围内。

之后，根据偏振控制信号发生器38提供的偏振控制信号，调整通过偏振控制器22的光信号的偏振状态。沿路径3，具有与偏振控制器22的偏振状态一致的偏振成分的光信号可以与ASE噪声一起由光电检测器30a进行光电转换，然后由模-数转换器32a转换成数字信号。功率计算器34计算该包含有线性偏振ASE噪声的光信号的功率P₃。

沿路径4，具有与偏振控制器22的偏振状态正交的偏振成分的光信号可以由光电检测器30b进行光电转换，然后由模-数转换器32b转换成数字信号。功率计算器34计算该包含有线性偏振ASE噪声的光信号的功率P₄。为了获得光电检测器30b检测的光信号功率中的最小值，在预定的范围内扫描偏振控制器22的偏振状态。当具有与偏振控制器22的偏振状态正交的偏振成分的光信号在通道4中被检测时，由功率计算器34计算得到的该包含有线性偏振ASE噪声的光信号的功率被最小化。这时，包含有线性偏振ASE噪声的光信号的功率P₄被检测。由于光信号被偏振光束分离器42分成彼此正交的偏振成分的两个光信号，功率P₃和P₄被同时测量。

上述功率P₁、P₂、P₃、P₄可用下面的公式表示：

P₁＝P_S1(1-ε)+0.5S_ASEB₀，

P₂＝P_S1ε+0.5S_ASEB₀，

P₃＝P_S2(1-ε)+0.5S_ASEB₀，

P₄＝P_S2ε+0.5S_ASEB₀，                          …(3)

其中除ε表示偏振光束分离器42的偏振致零率之外，P_S1、P_S2、S_ASE和B₀的定义与等式1中的相同。

等式3中，与等式1相反，测量功率P₁和P₃时，包含有ASE噪声的光信号通过偏振光束分离器42。这样，只有ASE噪声的线性偏振成分被检测且ASE噪声的功率被减至一半。

等式3中的ε、P_S1、S_ASE和光信噪比可按下述获得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(P_2-P_4)}{(P_1-P_3+P_2-P_4)},$

$P_{S1}=\frac{(P_1-P_2)}{(1-2\mathrm{\ϵ})},$

$S_{\mathrm{ASE}}=\frac{2(P_2-P_{S1}\mathrm{\ϵ})}{B_0},$

$\mathrm{OSNR}=\frac{P_{S1}}{S_{\mathrm{ASE}}{B}_r}=\frac{(P_1-P_2)}{2(1-3\mathrm{\ϵ})(P_2-P_{S1})}\frac{B_0}{B_r},......\left(4\right)$

其中B_r(nm)是分辨率，是用于确定计算光信噪比的ASE噪声的功率的参考带宽。

光信噪比计算器36利用公式4从功率计算器34计算得到的P₁、P₂、P₃和P₄计算光信噪比。

图7展示根据本发明证明光信噪比监测设备有效性的实验设备的示意图。光信号由可调波长激光器52提供，ASE噪声由使用掺铒光纤放大器的ASE光源54提供。该光信号和ASE噪声由1∶1定向耦合器60进行耦合，然后耦合后的光信号和ASE噪声被1∶1定向耦合器62再次分成两种成分。

这两种成分中的一种进入光频谱分析器64，通过线性插值法测量光信噪比。这时，由于光信号带很窄，ASE噪声带很宽，可以假设通过线性插值法测得的光信噪比是准确的。其间，这两种成分中的另一种进入光信噪比监测设备A，按照本发明测量光信噪比。通过使用分别安装在可调波长激光器52和ASE光源54上的光学可变衰减器56、58增大/减小光信号的功率和ASE噪声的强度，改变该光信噪比。

图8是根据图7所示的实验设备测得的光信噪比的曲线图。图8中，一使用光纤和压电设备的光学设备被用作偏振控制器22；一包含有基于半对称式空腔谐振器的微机电系统的滤波器被用作可调光带通滤波器24；一包含有光纤的光学设备被用作线性偏振器26。光信号是波长为1555nm、光功率为-20dBm的10Gb/s的不归零(Non-Return-to-Zero，简称NRZ)信号。使用光频谱分析器64测得的光信噪比大约是21dB。从该结果中可以看出，与使用光频谱分析器64测量得到的光信噪比相比较，根据本发明测量得到的光信噪比的误差范围大约是±0.2dB。即使是在长达14小时的期间内测量该光信噪比，测量的精确度也可以保持。

本领域的普通技术人员可对本发明进行各种置换、修改和改变而不脱离本发明的技术精神。例如，如图9所示，本发明的第三实施例可通过改变图5所示的偏振控制器22和可调光带通滤波器24的位置来实现。在第三实施例中，光信噪比可用与第一实施例中相同的方法按照等式1和等式2获得。进一步地，如图10所示，本发明的第四实施例可通过改变图6中的偏振控制器22和可调光带通滤波器24的位置来实现。第四实施例中，光信噪比可用与第二实施例中相同的方法从等式3和等式4中获得。

因而，可以理解本发明并不限于上述的具体实施例和附图。很明显这些修改和类似变化被本发明的权利要求所覆盖。

工业实用性

本发明是用于WDM光网络中的光信噪比监测设备和方法。本发明通过实时考虑系统的有限偏振致零率、偏振模色散和非线性双折射的影响，利用可调光带通滤波器和偏振致零方法精确地测量WDM光信号的光信噪比。进一步地，根据本发明，所述可调光带通滤波器被扫描来滤波波分复用信号的所有波长带。因此，本发明不需要为每个解复用光信号设置一单独的光信噪比监测设备。由此，本发明具有降低该系统的成本的优点。

Claims (23)

1、一种监测波分复用光传输系统中中心波长为λ₁、…λ_i、…λ_n(i＝1、2、…、n)的波分复用光信号的光信噪比的设备，其特征在于，包括：

偏振控制器，用于控制波分复用光信号的偏振状态；

可调光带通滤波器，用于改变其中心波长λ_v和滤波波分复用光信号中将要被测量光信噪比的中心波长为λ_i的光信号；

光信号分离设备，用于将滤波后的光信号分为第一光信号和第二光信号；

线性偏振器，用于线性偏振所述第二光信号；和

光信噪比测量设备，用于获得

当λ_v与λ_i一致时，所述第一光信号的功率P₁和通过所述线性偏振器的所述第二光信号的最小功率P₂；和

当λ_v以预定距离从λ_i移位时，所述第一光信号的功率P₃和通过所述线性偏振器的所述第二光信号的最小功率P₄；和

使用功率P₁、P₂、P₃和P₄获得所述光信噪比，

其中，当所述第二光信号的偏振状态与所述线性偏振器的偏振状态正交时，通过线性偏振器的所述第二光信号的功率被最小化，及当使用所述偏振控制器扫描所述光信号的偏振状态时获得功率P₂和P₄。

2、如权利要求1所述的设备，其特征在于，当所述光信号具有R Gbps的传输率时，λ_v从λ_i移位的预定距离是0.3～3RGHz。

3、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光信号分离设备是1∶1定向耦合器。

4、如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述光信噪比通过下述等式获得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(P_2-P_4)}{(P_1-P_3+P_2-P_4)},$

$P_{S1}=\frac{(P_1-2P_2)}{1-3\mathrm{\ϵ}},$

$\mathrm{OSNR}=\frac{(P_1-2P_2)}{2(1-3\mathrm{\ϵ})(P_2-P_{S1})}\frac{B_0}{B_r},$

其中，B_r(nm)是分辨率，是用于确定计算所述光信噪比的放大自发辐射噪声的功率的参考带宽，B₀是所述可调光带通滤波器的带宽(nm)。

5、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可调光带通滤波器是带宽比将要测量所述光信噪比的所述光信号的带宽更窄的窄带宽滤波器。

6、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光信噪比测量设备包括：

第一光电检测器，用于检测所述第一光信号并将其转换成电信号；

第二光电检测器，用于检测已通过所述线性偏振器的所述第二光信号并将其转换成电信号；

第一模-数转换器，用于将第一光电检测器的模拟电信号转换成数字信号；

第二模-数转换器，用于将第二光电检测器的模拟电信号转换成数字信号；

功率计算器，用于使用转换后的数字信号计算所述功率P₁、P₂、P₃和P₄；和

光信噪比计算器，用于使用功率计算器计算出的所述功率P₁、P₂、P₃和P₄计算所述光信噪比。

7、如权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括用于产生预定的偏振控制信号以便所述偏振控制器能够控制所述光信号的偏振状态的偏振控制信号发生器。

8、如权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括用于产生预定的波长控制信号以便可调光带通滤波器的中心波长λ_v能够在λ₁到λ_n的范围内变化的波长控制信号发生器。

9、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可调光带通滤波器包括构造为微机电系统(MEMS)的半对称式空腔谐振器。

10、一种监测中心波长为λ₁、…λ_i、…λ_n(i＝1、2、…、n)的波分复用光信号的光信噪比的设备，其特征在于，包括：

偏振控制器，用于控制波分复用光信号的偏振状态；

可调光带通滤波器，用于改变其中心波长λ_v和滤波波分复用光信号中将要被测量光信噪比的中心波长为λ_i的光信号；

偏振光束分离器，用于将滤波后的光信号分为两个偏振状态彼此正交的光信号；和

光信噪比测量设备，用于获得

当λ_v与λ_i一致时，具有与所述偏振控制器的偏振状态一致的偏振状态的第一光信号的功率P₁和具有与所述偏振控制器的偏振状态正交的偏振状态的第二光信号的功率P₂；

当λ_v以预定距离从λ_i移位时，具有与所述偏振控制器的偏振状态一致的偏振状态的第一光信号的功率P₃和具有与所述偏振控制器的偏振状态正交的偏振状态的第二光信号的功率P₄；

使用所述功率P₁、P₂、P₃和P₄获得所述光信噪比。

11、如权利要求10所述的设备，其特征在于，当光信号具有R Gbps的传输率时，λ_v从λ_i移位的预定距离是0.3～3R GHz。

12、如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述光信噪比通过下述等式获得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(P_2-P_4)}{(P_1-P_3+P_2-P_4)},$

$P_{S1}=\frac{(P_1-P_2)}{(1-2\mathrm{\ϵ})},$

$\mathrm{OSNR}=\frac{(P_1-P_2)}{2(1-2\mathrm{\ϵ})(P_2-P_{S1})}\frac{B_0}{B_r},$

其中，B_r(nm)是分辨率，是用于确定计算所述光信噪比的放大自发辐射噪声的功率的参考带宽，B₀是所述可调光带通滤波器的带宽(nm)。

13、如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述可调光带通滤波器是带宽比将要测量所述光信噪比的光信号的带宽更窄的窄带宽滤波器。

14、如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述光信噪比测量设备包括：

第一光电检测器，用于检测所述第一光信号并将其转换成电信号；

第二光电检测器，用于检测所述第二光信号并将之转换成电信号；

第一模-数转换器，用于将第一光电检测器的模拟电信号转换成数字信号；

第二模-数转换器，用于将第二光电检测器的模拟电信号转换成数字信号；

功率计算器，用于使用转换后的数字信号计算所述功率P₁、P₂、P₃和P₄；和

光信噪比计算器，用于使用功率计算器计算出的所述功率P₁、P₂、P₃和P₄计算所述光信噪比。

15、如权利要求10所述的设备，其特征在于，进一步包括用于产生预定的偏振控制信号以便所述偏振控制器能够控制所述光信号的偏振状态的偏振控制信号发生器。

16、如权利要求10所述的设备，其特征在于，进一步包括用于产生预定的波长控制信号以便可调光带通滤波器的中心波长λ_v能够在λ₁到λ_n的范围内变化的波长控制信号发生器。

17、如权利要求10所述的设备，其特征在于所述可调光带通滤波器是包括有构造为微机电系统(MEMS)的半对称式空腔谐振器的光学滤波器。

18、一种监测波分复用光传输系统中中心波长为λ₁、…λ_i、…λ_n(i＝1、2、…、n)的波分复用光信号的光信噪比的方法，其特征在于，包括：

通过定向耦合器将通过偏振控制器和可调光带通滤波器的光信号分为第一光信号和第二光信号；

扫描所述可调光带通滤波器的中心波长λ_v，并当λ_v与将要测量所述光信噪比的光信号的中心波长λ_i一致时，获得所述第一光信号的功率P₁和通过线性偏振器后被测量的第二光信号的最小功率P₂；

以预定距离从λ_i移位λ_v，获得第一光信号的功率P₃和通过线性偏振器后被测量的第二光信号的最小功率P₄；和

使用所述功率P₁、P₂、P₃和P₄获得所述光信噪比。

19、如权利要求18所述的方法，其特征在于，当光信号的传输率为R Gbps时，λ_v从λ_i移位的预定距离是0.3～3R GHz。

20、如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一光信号和第二光信号被1∶1定向耦合器分离，且所述光信噪比由下述等式获得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(P_2-P_4)}{(P_1-P_3+P_2-P_4)},$

$P_{S1}=\frac{(P_1-2P_2)}{(1-3\mathrm{\ϵ})},$

$\mathrm{OSNR}=\frac{(P_1-2P_2)}{2(1-3\mathrm{\ϵ})(P_2-P_{S1})}\frac{B_0}{B_r},$

其中，B_r(nm)是分辨率，是用于确定计算所述光信噪比的放大自发辐射噪声的功率的参考带宽，B₀是所述可调光带通滤波器的带宽(nm)。

21、一种监测波分复用光传输系统中中心波长为λ₁、…λ_i、…λ_n(i＝1、2、…、n)的波分复用光信号的光信噪比的方法，其特征在于，包括：

通过使用偏振光束分离器将已由偏振控制器和可调光带通滤波器处理过的光信号分成分别具有彼此相互正交的偏振状态的第一光信号和第二光信号；

扫描所述可调光带通滤波器的中心波长λ_v，并当λ_v与将要测量光信噪比的光信号的中心波长λ_n一致时，获取具有与所述偏振控制器的偏振状态一致的偏振状态的第一光信号的功率P₁和具有与所述偏振控制器的偏振状态正交的偏振状态的第二光信号的功率P₂；

以一预定距离从λ_i移位λ_v，并获取具有与所述偏振控制器的偏振状态一致的偏振状态的第一光信号的功率P₃和具有与所述偏振控制器的偏振状态正交的偏振状态的第二光信号的功率P₄；和

使用所述功率P₁、P₂、P₃和P₄获得所述光信噪比。

22、如权利要求21所述的方法，其特征在于，当光信号的传输率为R Gbps时，λ_v从λ_i移位的预定距离是0.3～3R GHz。

23、如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述光信噪比通过下述等式获得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(P_2-P_4)}{(P_1-P_3+P_2-P_4)},$

$P_{S1}=\frac{(P_1-P_2)}{(1-2\mathrm{\ϵ})},$

$\mathrm{OSNR}=\frac{(P_1-P_2)}{2(1-2\mathrm{\ϵ})(P_2-P_{S1})}\frac{B_0}{B_r},$

其中，B_r(nm)是分辨率，是用于确定计算所述光信噪比的放大自发辐射噪声的功率的参考带宽，B₀是所述可调光带通滤波器的带宽(nm)。

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