TWI228588B - Apparatus and method for simultaneous channel and optical signal-to-noise ratio monitoring - Google Patents

Description

.1228588 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關係一種使用在緊密分波多工（Dense Wavelength-Division-Multiplexing，DWDM)光傳輸系統上 同時監控光波道與光訊號雜訊比（Optical Signal-to-Noise Ratio，OSNR)的裝置與方法。 【先前技術】 在分波多工(Wavelength-Division-Multiplexing , WDM) 網路系統中為了提供高傳輸服務品質及確保網路穩定性， 必須監控光功率、光波長及光訊號雜訊比等相關光通道效 能參數。在光放大器中放大的自發放射（Amplified Spontaneous Emission，ASE)光源是非偏振（Unpolarized) 光，而傳輸的資料訊號幾乎仍保持著偏振光的特性。因此， 在量測ASE準位上，利用極化明滅（Polarization Extinction，PE)的方法來決定OSNR值。在以極化明滅為 基礎的方法上，0SNR的監控乃藉由量測WDM訊號的極化 明滅比例來展現。 圊一說明兩種以極化明滅為基礎之適切的量測設定架 構（Measurements Setup)。此量測設定架構使用了一個極 化控制器（PolarizationController) 101。此極化控制器1〇1 包括了一個偏光鏡（Polarizer)，此偏光鏡位於一種習知的 光頻譜分析儀（Optical Spectrum Analyzer，OSA) 103 之 前，或是在隨後有個光功率計（Power Meter) 107，而在 之前為可調式光渡波器（TunableOpticalFilter) 105。首先， 入射的WDM訊號的偏振狀態可藉由極化控制器1〇1來改 變，直到在檢視下的通道中的光頻譜分析儀1〇3或是光功 率計107指出最小值光功率（Minimum Optical Power)為 止。以最小值光功率而言，其讀值是ASE功率的一半。然 後，極化控制器101設定為正交（Orthogonal)狀態。在夠 高的OSNR值的案例中，顯示出的光功率為一最大值並且 可對應於訊號功率。利用這些數值可計算出OSNR值。 上述之PE技術的特徵為此方法僅需一個低成本的光 頻譜分析儀。然而，在光纖傳輸（Optical Fiber Communication)中，外在溫度的改變可能就影響了 DWDM 訊號的偏振狀態。所以，為了符合實際網路上的應用，就 有必要去追縱修正每一個通道的偏振狀態。一種自動地監 控OSNR值的技術就是極化致零法（Polarization-nulling Method)。此種方法以極化致零法為基礎的技術係藉由使 用一個可旋轉的四分之一波片（Rotating Quarter-waveplate ) 和一個可旋轉的線性偏光鏡（Linear Polarizer )。 圖二說明實驗架構以展現極化致零技術的操作原則。 在此實驗架構中，使用了一個可調式雷射201及一個ASE 光源203以模擬不同OSNR值的光訊號。因此，此OSNR 值可藉由調整置於光源之前的可調式光衰減器 1228588 (Attenuator)來改變大小。光訊號經由1*8波導光路由 器（Waveguide Grating Router，WGR) 205 濾出，然後經 一個光衰減器到OSNR監控模組207。在OSNR監控模組 上伴隨而來的光訊號的偏振狀態可以是線性、圓形或者是 橢圓形等偏振光。然而，任何偏振的訊號可以使用一個可 旋轉的四分之一波片將之改變為線性偏振訊號。而放置於 四分之一波片之輸出端的線性偏光鏡也是緩慢地旋轉。

因此，從可旋轉的四分之一波片輸出的線性偏振光訊 號均可由旋轉線性偏光鏡濾出，其包含已偏振的ASE雜訊 及訊號功率可被量測出來。當線性偏光鏡與由可旋轉的四 分之一波片獲得的線性偏振訊號呈現正交的狀態時，其已 偏振的ASE雜訊可以被量測出來。所以OSNR值可由所偵 測到訊號的最大與最小值來監控。

美國專利第5,223,705號揭露一種利用偏振狀態來量 測光放大器參數，其使用一個極化控制器和一個線性偏光 鏡來量測光放大器的ASE雜訊及增益值。經由極化控制器 的循序控制，使得線性偏光鏡的輸出有最小值光功率和最 大值光功率的循序輪出。最小值光功率代表ASE雜訊的一 半，而最大值光功率則代表一半的ASE雜訊加上光訊號的 值。所以此方法可量測出光放大器的ASE雜訊和增益值。 上述的技術是利用一個極化控制器與一個線性偏光鏡 ，1228588 的結合來測量光放大器特性。此種量測方法是基於光訊號 是偏振光而雜訊是非偏振光的假設下。為了提升監控的靈 敏度和多項參數監控等目的，本發明提出一種適用於同時 監控光波道與OSNR值的精缴模組。 【發明内容】 本發明克服上述傳統光訊號雜訊比監控的缺點。本發 明主要目的為提供一種可同時監控光波道與〇SNR值的裝 置與方法。依此，本發明的裝置包含一個極化控制器、一 個調變訊號源（Dithering Signal )、一個電光調變器 (Electro-optic Modulator)、一個分光器、一個檢光器 (Photodetector)及一個光學元件（Optical Element)。 運用極化控制器與電光調變器的組合可計算出〇SNR 值。電光調變器也可提供調變訊號源給特定的光波道以增 進檢光器與光學元件的偵測品質。使用檢光器與光學元件 可以分別來量測OSNR值與光波道位置。針對需要的功 能，電光調變器具有高度的偏振選擇性。換言之，它只允 許兩個正交偏振光的其中之一通過，且扮演如同一個線性 偏光鏡。光學元件監視著光波道，且其監視的波段可輕易 地藉由調動偏壓電流來調整涵蓋不同的波段 Band) 〇 根據本發明，光波道的監控可廣泛地涵蓋整個傳輸波 1228588 長範圍，並且OSNR值的監控擁有廣泛的動態範圍及良好 的準確度。此裝置也可以被模組化及複合積體化在一晶片

在一個較佳的實施例中，本發明的裝置使用一個發光 二極體（Light-emitting Diode，LED )感測器作為光學元件， 從跨過LED的接面電麼（Induced Junction Voltage)來辨識 光波道的波長。使用LED感測器有許多超越其他光波道監 視方法的優點，包括一個光濾波器、雙重偵檢器（Double Detector)及干涉計（Interferometer)的使用等。它比利用 相同偵檢原理如光半導體放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA )或者是法布里一比洛雷射二極體 (Fabry-PerotLaserDiode，FPLD)更具優勢。LED 感測器 具有非常低的成本，且在一個賦予的偏壓下可監控廣泛的 波長範圍。藉由改變偏壓電流，其監控的波長範圍可輕易 地調動以達成最佳的實現結果。 本發明之同時監控光波道與OSNR值的方法包含了此 裝置之操作原理及實施步驟。一部分的光功率首先從選定 的光波道被濾出，然後匯入極化控制器，之後進入電光調 變器。循序的偏振控制是藉著循序地調整送進極化控制器 的光訊號來進行。電光調變器的調變訊號源是用來增加偵 檢靈敏度。然後分光器把調變後的光訊號分成兩東。一東 光提供給光偵檢器來量測OSNR值，另一束光則提供給光 10 1228588 學元件來辨識光波道。

在本發明中，光波道辨識與波長漂移量（Wavelength Drift)是利用八個丨00GHz間隔的DWDM光波道的實驗結 果來證實。本發明也示出在電光調變器的輸出端所量測到 的光頻譜’並與兩正交偏振狀態的輸出作比較。實驗結果 說明極化明滅比例為37·9 dB與36·7 dB，分別對應於傳輸 速率2·5 Gbps與10 Gbps的光波道。OSNR值可從藉由調 整偏振控制所偵測到的最大與最小電壓值來計算之。本發 明也證實所量測到的OSNR值和OSA所測量的數據非常 吻合，並且可量測的OSNR值可達31 dB，而誤差值保持 在0·5άΒ以内。 茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範 圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。

【實施方式】 本發明的要旨為使用一個具偏振選擇功能的電光調變 器和一個光波道辨識單元，來作DWDM網路中的OSNR 值監控及光波道辨識。圖三為根據本發明之OSNR值監控 與光波道辨識裝置的方塊示意圖。此裝置包含一個極化控 制器3(Π、一個調變訊號源302、一個具偏振選擇功能的電 光調變器303、一個分光器304、一個檢光器305及一個光 學元件306。極化控制器30卜電光調變器303、分光器3〇4 1228588 和檢光器305組合成一個OSNR值量測單元。分光器304 與光學元件306組成一個光波道辨識單元。為了增加檢光 器305與光學元件306的偵檢靈敏度，供給調變訊號源302 給予電光調變器303，然後由分光器304分光分別進入檢 光器305及光學元件306。光學元件係使用來辨識光波道 波長。 根據本發明，光學元件306可以是一個LED感測器、 SOA或是附加檢光二極體的光渡波器。具有偏振選擇功能 的電光調變器可以是一個線性偏光鏡串接一個電光調變 器，或者是一個單一線性偏振傳輸波導結構的電光調變 器。值得注意的是在本發明中所有的裝置的元件均可被模 組化並復合積體化在一晶片中。 參考圖三，光訊號307首先從一個選定的光波道濾 出，然後輸入極化控制器301，之後進入電光調變器303。 光訊號307輸入極化控制器301後作循序地偏振控制。電 光調變器303的調變訊號源302是用來增加偵檢靈敏度。 分光器304是將已調變的光訊號308 (即電光調變器的輸 出）分成兩光束。一束光入射在檢光器305，是用來量測 OSNR值，另一束光入射在光學元件306，作為光波道辨 識用。 圖四為圖三的一個實施例，其中使用一個LED感測器 12 1228588

作為光學元件，並且已調變的光訊號308以50 : 5〇的比例 被光耦合器(Coupler)404分為兩束。從圖四中可看出，訊 號與雜訊皆通過一個可調式光濾波器401來模擬光波道被 選擇或操取的功能（DroppingFunction)。光訊號307從選 定的光波道被濾出，送進極化控制器301。光訊號307進 入極化控制器301作循序地偏振控制。為了達到所需的功 能’電光調變器303具有高度的偏振選擇性，亦即只允許 兩正交偏振光的其中之一通過，如同一個線性偏光鏡。

藉由此電光調變器和極化控制器，可以如同極化致零 法方法量測出光波道0SNR值。同時，電光調變器將調變 訊號源302使用在選定的光波道，以增加檢光器305和LED 螓

感測器406的偵檢靈敏度及動態範圍。此實施例中，光耦 合器404以50:50的比例，將調變光訊號分成兩束。〇SNR 值和光波道位置分別被檢光器305與LED感測器406量測 出來。 此LED感測器406經由LED的接面電壓偵測來辨識 光波道波長。就如同波長偵檢技術中，利用FPLD或SOA 中波長與透明點電流相關之透明點特性。 就像雷射二極體或SOA，當波長移往長波長側 (Long-wavelength Side)，LED 為增益材料（Gain Material)， 其透明點電流會下降。跨接LED電極的接面電壓幾乎與透 13 1228588 明點電流和偏壓電流（BiasCurrent)的差值呈線性比例。顯 然地，此接面電壓是隨著波長改變而變化，且可使用於波 長檢測。

LED感測器可監控多個光波道，且其監控的波長範圍 可藉著調整偏壓電流來調動不同的波段。例如，圖五表示 一個邊緣放射（Edge-emitting) LED ( PD-LD 型號 PLD-E15-506)在不同偏壓電流下的接面電壓。對於一調 變的輸入光訊號，其響應的接面電壓可使用一個狹窄的帶 通電濾波器來偵檢，以抵抗偵檢過程中所伴隨的雜訊。此 輪出電壓訊號的大小對應於波長的改變是非常敏感的。在 圖五中的輸出電壓是使用一個相位感應偵測 (Phase-sensitiveDetection，PSD)迴路，如此接面電壓的 負值大小（Negative Magnitude)顯示在損失區（Loss Regime)。當一個 PSD迴路，即一個相鎖（PhaseLock-in)放 大器，被使用來感應電壓時，偵測到的電壓與所輸入的波 長之間可得到一個單調的關係。本發明可藉由一個LED來 偵測更大範圍的波長。 LED感測器可提供比先前論證過的光波道監控方法更 多的優點，包括光濾波器、雙重偵檢器及干涉計的使用等。 它也比SOA或FPLD這些運用和LED相同偵檢原理的感 測器來得優勢。LED感測器的成本十分低，且在一個給定 的偏壓電流下可監控廣泛的波長範圍。經由改變它的偏壓 1228588 電流，監控波段可輕易地調整而達到最佳的實施結果。

雖然一個低成本的FPLD被證明可用來監控 光波道，並且有令人滿意的實施結果，然而對於由平面反 射（Facet Reflection)所誘發的共振電壓的議題，仍需要去 選擇一個適切的雷射二極體長度，和小心地調整它的偏壓 電流。使用LED感測器唯一要關切的是它也許需要溫度控 制。因為LED需要簡單地從彼此之間區別光波道而不是精 確地偵測光波道波長，偵檢範圍是相當地廣泛，所以在本 發明中它不需要嚴密的溫度控制。 根據本發明，由檢光二極體所量測到的電壓的最大值 指示出訊號功率加上雜訊功率的一半，而假如訊號完全被 具偏振選擇性的調變器抑制掉（Suppressed)，則電壓的最 小值對應於雜訊功率的一半。所以，OSNR值的監控是結 合極化控制器301和實質上為線性偏振電光調變器303來 φ 實施的。對於兩監控路徑，電光調變器303也將單頻正弦 波訊號（Single-tone sinusoidal signal)施用於輸入的光訊號 與光雜訊以增加偵檢品質。實驗中調變訊號源302的頻率 為10kHz。由於隨後有一個狹窄的帶通電濾波器來去除偵 檢雜訊，而LED感測器406可將光波道波長偵測出來。 圖六說明八個DWDM光波道其LED接面電壓相對於 光波道波長漂移的關係，光波道1至8，CH1CH8，其間 15 1228588

隔為100 GHz。圖六也說明了電壓隨著波長漂移而變化的 情形。基本上，波長鎖定器（Wavelength Locker)可確保 DWDM光波道的波長漂移量在正負0·02ηιη以内。對於如 此一個可能的波長漂移量，相鄰光波道之間的接面電壓可 以清楚地分辨出來。甚且，由於不同的光波道所偵測到的 電壓的分隔很大，因此感測器之溫度控制的容忍度 (Tolerance)可放鬆至0.24°C。此光波道監控技術的可靠度 與穩定度已證實比FPLD感測器來的好。

以下描述本發明對同時監控光波道與OSNR值的操作 原理。光訊號307輸入極化控制器301後進行循序偏振控 制。然後，由極化控制器301切換正交偏振狀態至電光調 變器303，使得電光調變器輸出端呈現最大值及最小值的 輪替出現。藉由此循序地控制極化控制器，檢光器305可 以偵測出因偏振控制下所量到的最小值光功率P—和最大 值光功率Pmax。圖七為位元速率2·5 Gbps及10 Gbps時， 電光調變器的輸出端在兩正交狀態時所量到的光頻譜。在 圓七中比較這兩正交偏振狀態的輸出。結果指出對單一之 2·5 Gbps及10 Gbps的光通道其極化明滅比值分別為37.9 dB 和 36.7dB。 OSNR值可藉由切換兩正交狀態所偵測到的最大與最 小的電壓值來算出。圓八為位元速率2.5 Gbps及10 Gbps 時，比較本發明的裝置與一個高效能（High-performance) 1228588 的光頻譜分析儀所量測的OSNR值。縱轴為模組量測的 OSNR值，該值已包括修正因數，因為只有一半的ASE光 雜訊被偏振選擇性的調變器量測出來，所以此因數包含量 到的雜訊準位之3 dB的差距，同時也包括可調式光濾波器 與OSA之間其濾波器的頻寬差距（4·2昍）。此結果說明 了所量測到經修正的OSNR值與從〇SA所得到的數據是 相當吻合。當誤差保持在正負〇·5 dB之内時，本發明的模 組可以量測OSNR值到31 dB。

由上可知，本發明在監控OSNR值與光波道辨識中其 關鍵元件為電光調變器和LED感測器。在一個實驗中，本 發明選用AT&T Mach-Zehnder干涉型式的電光調變器 M22122AA。此電光調變器在兩端使用標準單模光纖 (StandardSingle-modeFiber)作為輸入/輸出。其具有高度 偏振選擇功能，且極化明滅比值可大於30 dB。LED感測 器則是一個1·55μτη的邊緣放射LED。 综上所述，本發明之使用一個具偏振選擇功能的電光 調變器與一個低成本的光學元件而用來同時監控光波道舆 OSNR值的裝置與方法已具備下面的優點：（1)低成本;（2) 輕巧；其可封裝成一精敏模組或複合積體化在一晶片中； (3 )光波道監控可涵蓋廣泛的波長範圍且可調動；以及(4) OSNR值監控動態範圍大且準確。 17 1228588 唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當 不能以此限定本發明實施之範圍。即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋 之範圍内。 18 1228588 【圖式簡單說明】 圖一說明兩種以極化明滅為基礎之適切的量測設定架構； 圖二說明實驗架構以展現極化致零技術的操作原則； 圖三為根據本發明之OSNR值監控與光波道辨識裝置的方塊示意圖； 圖四為圖三的一個實施例，其中使用一個LED感測器作為光學元件； 圖五表示一個邊緣放射LED在不同偏壓電流下的接面電壓； 圖六說明八個DWDM光波道其LED接面電壓相對於光波道波長漂移 的關係，光波道1至8，CH1〜CH8，其間隔為100 GHz ; 圖七為位元速率2.5Gbps及lOGbps時，電光調變器的輸出端在兩正交 偏振狀態時所量到的光頻譜； 囷八為位元速率2·5 Gbps及10 Gbps時，比較本發明的裝置與一個高效 能的光頻譜分析儀所量測的OSNR值。 [圖號說明] 103光頻譜分析儀 107光功率計 203 ASE光源 207 OSNR監控模組 302調變訊號源 304分光器 306光學元件 101極化控制器 105可調式光濾波器 201可調式的雷射光 205波導光路由器 301極化控制器 303電光調變器 305檢光器 1228588 307光訊號 308已調變的光訊號 401可調式光濾波器 404光耦合器 406 LED感測器

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Claims (1)

1228588 拾、申請專利範圍： 1 · 一種同時監控光波道與光訊號雜訊比的裝置，包含 有： 一個極化控制器，循序調整該極化控制器以對一光訊 號執行循序偏振控制； 一個調變訊號源；

一個具偏振選擇功能的電光調變器，接收來自該極化 控制器的一個光訊號，並且輸出一個調變訊號至一個 選定的光波道，然後輸出一個已調變的光訊號； 一個分光器，將該已調變的光訊號分成第一道及第二 道光束； 一個檢光器，接收該第一道光束並測量該光訊號雜訊 比；以及 一個光學元件，接收該第二道光束並辨識多光波道波 長。

2 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與光 訊號雜訊比的裝置，其中該極化控制器、該具有偏振 選擇功能的電光調變器、該分光器與該檢光器構成一 個光訊號雜訊比測量單元。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與光 訊號雜訊比的裝置，其中該分光器與該光學元件構成 一個光波道辨識單元。 4 ·如申請專利範圍第1項所述同時監控光波道與光 訊號雜訊比的裝置，其中該光學元件為一個發光二極 21 1228588 體感測器。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與光 訊號雜訊比的裝置，其中該已調變的光訊號以5〇 : 5 0的比例被分成兩道光束。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與光 訊號雜訊比的裝置，其中該具偏振選擇功能的電光調 變器實質上為一線性偏光鏡。

7 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與光 訊號雜訊比的裝置，其中該具偏振選擇功能的電光調 變器由一個線性偏光鏡串接一個電光調變器。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與光 訊號雜訊比的裝置，其中該裝置係被封裝成一個輕巧 的模組，並且複合積體化在一片晶片上。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與光

訊號雜訊比的裝置，其中該具偏振選擇功能的電光調 變器為一個電光調變器，並具有單一偏振波導傳輪。 10 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與 光訊號雜訊比的裝置，其中該光學元件為一個半導體 光放大器。 1 1 ·如申請專利範圍第1項所述之同時監控光波道與 光訊號雜訊比的裝置，其中該光學元件為一個光濾波 器及檢光二極體的組合。 12· —種同時監控光波道與光訊號雜訊比的方法，其包 含下列步驟： 22 1228588 (a) 提供一個光訊號給一個極化控制器； (b) 循序地調整該極化控制器，以執行該光訊號的 循序偏振控制，之後輸入該光訊號至一個具偏振選擇 功能的電光調變器； (c) 提供一個調變訊號給該具偏振選擇功能的電光 調變器，之後利用該具偏振選擇功能的電光調變器輸 出一個已調變的光訊號； (d) 將該已調變的光訊號分成第一道與第二道光束； (e) 輸入該第一道光束至一個檢光器，以測量光訊 號雜訊比； (f)輸入該第二道光束至一個光學元件，以作該光 波道監控。 1 3 ·如申請專利範圍第12項所述之同時監控光波道與 4 光訊號雜訊比的方法，其中在該循序的偏振控制後， 該極化控制器切換偏振狀態至該具偏振選擇功能的 電光調變器的輸出端發生最大或最小值。 23