DWDM系统光通道性能在线监控模块

作者：何 俊 , 杨 明 , 刘明睿 , 胡强高 
　　(武汉光迅科技有限责任公司,湖北 武汉  430074)
摘要：基于密集波分复用（DWDM）的光传送网构成了整个通信网络的基础物理层。为了满足DWDM技术的应用和升级，能够在线监测光通道性能模块（OPM）成为了当前很多器件公司研究和开发的热点。一个典型的OPM模块能够在线监测通道光功率、中心波长及光信噪比（OSNR）等指标。本文系统的阐述了OPM应用背景，技术特点，性能指标以及发展前景，并对各种厂家生产的OPM模块进行了比较分析。
关键词：密集波分复用；光性能监测; 光信噪比

1 OPM产生的背景 
    为了满足对带宽的需求，通信运营商和系统供应商都把高速密集波分复用（DWDM）系统作为优化网络的首选方案，因而DWDM技术以其巨大的容量和高效的带宽利用在光纤通信网络中得到了广泛的应用。现今的光传输通信网络，包括骨干长途网、本地城域网和用户接入网，都以DWDM技术为平台，基于DWDM的光传送网构成了整个通信网络的基础物理层。而随着DWDM技术的不断升级，通信网中的光信道间隔由200G发展到100G，50G甚至25G，信道数量越来越多，信道速率不断提高，容量也越来越大，这样，网络的安全高效运行就越来越需要得到有效的保障和加强[1]。首先，对系统商和设备商而言，为保证在光网络在多信道和高速率情况下运行稳定可靠，必须在光网络中比较关键的位置对各个光通道信号的波长、功率和光信噪比（OSNR）进行监测[2]；其次，光纤通信网络的广泛使用使得网络拓扑结构越来越复杂，网络管理智能化和网络自动控制也要求能对网络中关键节点的状况进行实时监控；再者，随着现有光网络的老化，光通信网络面临着不断更新与升级，对部分即将更新的光网络则更加需要实时监测其工作状况；最后，对器件供应商和光纤制造商来说，也需要新的简易，针对性更强的设备来对他们的DWDM产品进行测试。DWDM系统光通道性能在线监控模块（OPM）正是为满足这些需求而出现的一种精确、轻便和低成本的测试模块[3]。如图1所示，是OPM模块在DWDM系统中使用的一个比较典型的实例。
　　　
2 基本原理及结构
    现在，很多公司正在开发或已经开发出多种型号和性能指标的OPM模块，按照其分光原理来分类，这些OPM模块可以分为衍射型和干涉型两种。而由于每种OPM模块中使用的具体分光元件可能不一样，使得各种OPM模块在结构上又有很大的变化和差异，下面分别加以阐述。
2.1 基于衍射型的OPM
    基于衍射型的OPM模块主要由三部分组成：衍射部分，阵列探测器，信号处理器。这种类型的OPM因衍射元件和衍射方式不同而在具体结构上有所差异。其中，衍射元件主要有透射型衍射光栅、反射型衍射光栅和光纤光栅等几种；而衍射方法主要包括单通、双通以及四通等等。现在以基于透射型衍射光栅的单通OPM模块的结构为例，对这种类型OPM模块的原理进行说明（如图2所示）。
  　　　　 
    在这种结构设计中，首先从网络中提取出一定比例功率的光信号；该光信号经过准直透镜后转变为平行光，并使平行光沿着衍射光栅的最佳衍射角入射；经过衍射光栅后，得到衍射效率极大的衍射光，不同波长（频率）的光信号被分离开；分离后的光信号经过会聚透镜，被会聚在阵列探测器的不同象素上，并在阵列探测器上按波长（频率）依次分布；阵列探测器对光信号进行实时快速采样，将光信号的幅度转换为电信号，从而获取原始的光谱数据，并将原始数据传送给信号处理器；信号处理器对原始数据进行处理和分析，根据光强的幅度和分布，进行去卷积运算，恢复光谱曲线，计算出光信号的通道中心波长（频率）、光功率、OSNR等各种参数（如图三），最终将计算结果和光谱曲线输出。
 　　　  
    这种结构的OPM模块中没有活动部件，能够对设定的波长范围内不同波长的光信号进行同时采样，其突出优点是稳定性好、能够快速测量。其缺点也比较明显：首先，光学部件较多，光栅的体积比较大，衍射也需要空间，使得这种结构整体体积相对较大；其次，光栅的衍射效应带来的光信号间的通道干扰，使在计算各项指标时有一定困难；再者，受到阵列探测器的单个象素尺寸和象素数量的限制，对光信号的采集误差也影响了OPM模块的性能指标；最后，高精度的性能指标，特别针对50G的光信道间隔，需要采用高精度、动态范围大的阵列探测器，带来了成本的上升。
    为了避免以上缺点和减小测量精度上的影响，很多改进方案被提了出来。例如使用双通或四通的结构，即在光学结构中巧妙的增加一些装置，如反射镜等，使光信号在到达探测器之前，在三维空间经过光栅两次或四次，以提高利用光栅的衍射效率，从而成倍增加其工作波长范围，提高波长分辨率；通过使用光纤光栅代替衍射光栅，可以减小尺寸；通过半导体工艺，将光栅和光学透镜集成，做小型化封装；通过平面光波导（PLC）技术，将分开的光信号通过单独的通道送入单独的光电探测器（PIN）；采用去卷积算法，计算模块的传递函数，恢复光谱信号等等。
    基于衍射型的OPM模块，目前是一直比较流行的设计，被大部分公司采用。在采用一些特殊结构和算法后，可以显著提高波长分辨率和OSNR的测量结果，不仅能对100GHz的DWDM系统进行很有效的监控，甚至能满足50GHz的DWDM系统的监控要求。
2.2 基于干涉型的OPM
    基于干涉型的OPM也主要由三部分组成：可调谐滤波器，探测器和信号处理与控制器（如图4所示）。同样，这种结构的OPM模块因可调谐滤波器及其驱动不同而在结构上有一定的差异。现在所采用的可调谐滤波器原理主要分为Michelson干涉仪、Fabry-Perot干涉仪和介质膜滤波器等等；而所采用的驱动主要有压电陶瓷、微电机系统（MEMS）以及温度传感等等。
　　　　 
    基于干涉型的OPM模块基本工作原理如下：首先，从光网络的信号中，提取出来一定比例的光功率，传送到可调谐滤波器；可调谐滤波器对输入的光信号进行滤波，将一定带宽的光信号透过，再导入光电探测器中；光电探测器进行光电转换，对光信号采样，将光信号的振幅转换为电信号传送给信号处理与控制器；信号处理与控制器在接收了采样数据后，再发送指令，改变可调谐滤波器的通带波长，如此反复，直到扫描完所需的整个波长范围；最后信号处理器将得到的采样数据进行分析和处理，计算得出光信号的通道中心波长、光功率、OSNR等指标，并将结果和光谱数据输出。
    这类OPM模块最大的优点是体积小，光路简单，没有了分光元件，避免了由于光学元件衍射效应带来的通道间干扰；同时，由于采用的单个光电探测器，对光信号的采集效率和降低成本方面都有极大的改善。但是，作为核心器件的可调谐滤波器（TOF），目前还很难达到OPM所需要的带宽和速率以及其他指标，导致了这种结构目前不被广泛采用。首先，可调谐滤波器的技术还不成熟，成本居高不下；其次，采用驱动对可调谐滤波器进行高精度的定位和调节，不能对波长范围内的信号进行同时采样；最后，数据流为串行处理，扫描速度相对比较慢，使得这类OPM对系统信号的实时监控有一定的困难。
     两种结构的OPM模块，都具有各种的特点，在不同指标要求的应用领域都具备各自的优势。总的来说，衍射型的设计具有快速、稳定的特点，而干涉型的方案结构简单，体积小；数据采集上一个采用并行处理，一个采用串行处理；数据处理上的流程基本相同，首先根据各个模块特有传递函数，采用去卷积算法对光谱进行恢复，然后计算出通信线路上光信号通道所需参考的参数如中心波长、通道光功率及各个信道的OSNR。目前，两种类型的OPM模块都有相应的产品系列。
3 技术指标和研发现状
    OPM模块能够针对通信系统中光信号特点，实时监控线路上32nm左右波长范围内的DWDM光信道的中心波长、光功率、OSNR等。作为一个模块，除了要求指标上的稳定和准确之外，还要求能够适应各种恶劣的外部工作环境。一个典型的OPM模块技术指标主要包括：工作波长范围、波长分辨率、波长精度、输入光功率范围、光功率分辨率、光功率精度、OSNR、扫描时间、工作电压、工作电流、工作温度、储存温度、工作湿度、储存湿度、外观尺寸等等。
    目前，生产并提供OPM模块的主要是一些国外厂家，包括Axsun 
Technologies, BaySpec, Ocean Optics, Yokogawa, Noyes Fiber
Systems, Cisco, OptovationLightchip, Nortel Telecom, Control
Development, Optenia, Lucent等十几家公司；在国内，武汉光迅科技股份有限责任公司（Accelink）自主研发的OPM模块比较成熟。
    将OPM模块按其功能可以分为低端和高端两种。其中低端的OPM模块只能对光信号的功率和波长进行实时监控，这类OPM模块成本较低，应用面也较广；高端的OPM模块能对光信号的波长、功率、OSNR等参数进行实时监控，相对成本比较昂贵，主要应用于光网络的关键节点的监测，为系统网管提供准确可靠的网络参数。
    根据DWDM系统中光通道的波长间隔范围，OPM模块可在规格型号上被分为50GHz, 100GHz, 200GHz，其中100GHz是目前比较常规的一种型号，50GHz的OPM模块要求较高，但是系统发展的必然方向。从可监测的波长范围来看，主要可分为C波段或者C+L波段。
    评估一个OPM模块指标的最重要的方面就是OSNR的测量范围和精度。对100GHz的系统，要求测得的OSNR指标高于25dB，准确度在+/-1dB以内。有些厂家生产的OPM模块具备30dB的测量范围。对50GHz的系统而言，由于通道间的串扰更加严重，系统对其OSNR指标更为关注，一般要求OPM模块也能达到25dB以上。
    作为一个功能模块，除光学指标之外，OPM的尺寸大小也是一个很重要的考虑因素。尺寸越小，就越具备市场优势。在与系统通讯的接口协议上，目前没有一个统一的标准，各个厂家都根据自己的设计来定义，这个也是OPM模块在系统上还没有广泛采用的一个因素。
    在以上提及的OPM模块生产厂家里，以Ocean Opitcs、Bayspec和Axsun这三家的产品最全面，也占据了目前主要的市场份额。国内，武汉光迅科技股份有限责任公司（Accelink）生产的OPM模块，可以用于C波段100GHz的DWDM系统，其性能达到同类产品的领先水平（见表1）。表1对以上四个厂家OPM模块的主要指标进行了比较。
 　 
      表1 几种典型OPM的主要性能参数
    从表1可以看出，Accelink研发的OPM模块在各项指标上等同或优于同类产品。特别是在OSNR的测量精度和范围上。图5是Accelink的OPM模块和 Λnritsu光谱仪同时对100GHz DWDM系统进行监测，对比通道光功率和OSNR的测试结果表明：在正常工作条件下，光功率精确度达到+/-0.5dBm，OSNR精确度在小于28dB时达到+/-1dB。另外，其波长精确度保持在+/-30pm以内。
  　　　　
 　　　　 
图5 Accelink的OPM和 Λnritsu的光谱仪对100GHz DWDM系统测试结果对比
4 结束语
作为光网络不可或缺的一个组成部分，OPM模块必将随着光网络的发展而不断改进和完善，为光网络的安全和稳定提供保证。
 
参考文献：
[1] N.Hanik, A.Gladisch, C.Caspar, and B.Strebel. Application
 of amplitude histograms to monitor performance of optical
 channels. Electron. Letts. Vol 35, 403-404, 1999
[2] K.Mueller, N.Hanik, A.Gladisch, H.M.Foisel, C.Caaspar. 
Application of Amplitude Histograms for Quality of Service 
Measurements of Optical Channels and Fault Identification. 
ECOC 98,707-708,1998, Madrid.
[3] R.Habel, K.Roberts, A.Solheim, J.Harley. Optical Domain
 Performance Monitoring, OFC 2000, 171-173, 2000, Baltimore.
基金项目：国家“八六三计划”资助项目(2003AA312080)
作者简介：何俊(1976-),男，湖北黄冈人，工程师，硕士，主要研究方向为光器件和光网络子系统。