作者：何 俊 , 楊 明 , 劉明睿 , 胡強(qiáng)高 
　　(武漢光迅科技有限責(zé)任公司,湖北 武漢  430074)
摘要：基于密集波分復(fù)用（DWDM）的光傳送網(wǎng)構(gòu)成了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)物理層。為了滿(mǎn)足DWDM技術(shù)的應(yīng)用和升級(jí)，能夠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)光通道性能模塊（OPM）成為了當(dāng)前很多器件公司研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。一個(gè)典型的OPM模塊能夠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)通道光功率、中心波長(zhǎng)及光信噪比（OSNR）等指標(biāo)。本文系統(tǒng)的闡述了OPM應(yīng)用背景，技術(shù)特點(diǎn)，性能指標(biāo)以及發(fā)展前景，并對(duì)各種廠(chǎng)家生產(chǎn)的OPM模塊進(jìn)行了比較分析。
關(guān)鍵詞：密集波分復(fù)用；光性能監(jiān)測(cè); 光信噪比

1 OPM產(chǎn)生的背景 
    為了滿(mǎn)足對(duì)帶寬的需求，通信運(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)供應(yīng)商都把高速密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)作為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的首選方案，因而DWDM技術(shù)以其巨大的容量和高效的帶寬利用在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用�，F(xiàn)今的光傳輸通信網(wǎng)絡(luò)，包括骨干長(zhǎng)途網(wǎng)、本地城域網(wǎng)和用戶(hù)接入網(wǎng)，都以DWDM技術(shù)為平臺(tái)，基于DWDM的光傳送網(wǎng)構(gòu)成了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)物理層。而隨著DWDM技術(shù)的不斷升級(jí)，通信網(wǎng)中的光信道間隔由200G發(fā)展到100G，50G甚至25G，信道數(shù)量越來(lái)越多，信道速率不斷提高，容量也越來(lái)越大，這樣，網(wǎng)絡(luò)的安全高效運(yùn)行就越來(lái)越需要得到有效的保障和加強(qiáng)[1]。首先，對(duì)系統(tǒng)商和設(shè)備商而言，為保證在光網(wǎng)絡(luò)在多信道和高速率情況下運(yùn)行穩(wěn)定可靠，必須在光網(wǎng)絡(luò)中比較關(guān)鍵的位置對(duì)各個(gè)光通道信號(hào)的波長(zhǎng)、功率和光信噪比（OSNR）進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]；其次，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)管理智能化和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制也要求能對(duì)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；再者，隨著現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的老化，光通信網(wǎng)絡(luò)面臨著不斷更新與升級(jí)，對(duì)部分即將更新的光網(wǎng)絡(luò)則更加需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其工作狀況；最后，對(duì)器件供應(yīng)商和光纖制造商來(lái)說(shuō)，也需要新的簡(jiǎn)易，針對(duì)性更強(qiáng)的設(shè)備來(lái)對(duì)他們的DWDM產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。DWDM系統(tǒng)光通道性能在線(xiàn)監(jiān)控模塊（OPM）正是為滿(mǎn)足這些需求而出現(xiàn)的一種精確、輕便和低成本的測(cè)試模塊[3]。如圖1所示，是OPM模塊在DWDM系統(tǒng)中使用的一個(gè)比較典型的實(shí)例。
　　　
2 基本原理及結(jié)構(gòu)
    現(xiàn)在，很多公司正在開(kāi)發(fā)或已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種型號(hào)和性能指標(biāo)的OPM模塊，按照其分光原理來(lái)分類(lèi)，這些OPM模塊可以分為衍射型和干涉型兩種。而由于每種OPM模塊中使用的具體分光元件可能不一樣，使得各種OPM模塊在結(jié)構(gòu)上又有很大的變化和差異，下面分別加以闡述。
2.1 基于衍射型的OPM
    基于衍射型的OPM模塊主要由三部分組成：衍射部分，陣列探測(cè)器，信號(hào)處理器。這種類(lèi)型的OPM因衍射元件和衍射方式不同而在具體結(jié)構(gòu)上有所差異。其中，衍射元件主要有透射型衍射光柵、反射型衍射光柵和光纖光柵等幾種；而衍射方法主要包括單通、雙通以及四通等等�，F(xiàn)在以基于透射型衍射光柵的單通OPM模塊的結(jié)構(gòu)為例，對(duì)這種類(lèi)型OPM模塊的原理進(jìn)行說(shuō)明（如圖2所示）。
  　　　　 
    在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先從網(wǎng)絡(luò)中提取出一定比例功率的光信號(hào)；該光信號(hào)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄�，并使平行光沿著衍射光柵的最佳衍射角入射；�?jīng)過(guò)衍射光柵后，得到衍射效率極大的衍射光，不同波長(zhǎng)（頻率）的光信號(hào)被分離開(kāi)；分離后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡，被會(huì)聚在陣列探測(cè)器的不同象素上，并在陣列探測(cè)器上按波長(zhǎng)（頻率）依次分布；陣列探測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速采樣，將光信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而獲取原始的光譜數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)傳送給信號(hào)處理器；信號(hào)處理器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，根據(jù)光強(qiáng)的幅度和分布，進(jìn)行去卷積運(yùn)算，恢復(fù)光譜曲線(xiàn)，計(jì)算出光信號(hào)的通道中心波長(zhǎng)（頻率）、光功率、OSNR等各種參數(shù)（如圖三），最終將計(jì)算結(jié)果和光譜曲線(xiàn)輸出。
 　　　  
    這種結(jié)構(gòu)的OPM模塊中沒(méi)有活動(dòng)部件，能夠?qū)υO(shè)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣，其突出優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、能夠快速測(cè)量。其缺點(diǎn)也比較明顯：首先，光學(xué)部件較多，光柵的體積比較大，衍射也需要空間，使得這種結(jié)構(gòu)整體體積相對(duì)較大；其次，光柵的衍射效應(yīng)帶來(lái)的光信號(hào)間的通道干擾，使在計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)時(shí)有一定困難；再者，受到陣列探測(cè)器的單個(gè)象素尺寸和象素?cái)?shù)量的限制，對(duì)光信號(hào)的采集誤差也影響了OPM模塊的性能指標(biāo)；最后，高精度的性能指標(biāo)，特別針對(duì)50G的光信道間隔，需要采用高精度、動(dòng)態(tài)范圍大的陣列探測(cè)器，帶來(lái)了成本的上升。
    為了避免以上缺點(diǎn)和減小測(cè)量精度上的影響，很多改進(jìn)方案被提了出來(lái)。例如使用雙通或四通的結(jié)構(gòu)，即在光學(xué)結(jié)構(gòu)中巧妙的增加一些裝置，如反射鏡等，使光信號(hào)在到達(dá)探測(cè)器之前，在三維空間經(jīng)過(guò)光柵兩次或四次，以提高利用光柵的衍射效率，從而成倍增加其工作波長(zhǎng)范圍，提高波長(zhǎng)分辨率；通過(guò)使用光纖光柵代替衍射光柵，可以減小尺寸；通過(guò)半導(dǎo)體工藝，將光柵和光學(xué)透鏡集成，做小型化封裝；通過(guò)平面光波導(dǎo)（PLC）技術(shù)，將分開(kāi)的光信號(hào)通過(guò)單獨(dú)的通道送入單獨(dú)的光電探測(cè)器（PIN）；采用去卷積算法，計(jì)算模塊的傳遞函數(shù)，恢復(fù)光譜信號(hào)等等。
    基于衍射型的OPM模塊，目前是一直比較流行的設(shè)計(jì)，被大部分公司采用。在采用一些特殊結(jié)構(gòu)和算法后，可以顯著提高波長(zhǎng)分辨率和OSNR的測(cè)量結(jié)果，不僅能對(duì)100GHz的DWDM系統(tǒng)進(jìn)行很有效的監(jiān)控，甚至能滿(mǎn)足50GHz的DWDM系統(tǒng)的監(jiān)控要求。
2.2 基于干涉型的OPM
    基于干涉型的OPM也主要由三部分組成：可調(diào)諧濾波器，探測(cè)器和信號(hào)處理與控制器（如圖4所示）。同樣，這種結(jié)構(gòu)的OPM模塊因可調(diào)諧濾波器及其驅(qū)動(dòng)不同而在結(jié)構(gòu)上有一定的差異�，F(xiàn)在所采用的可調(diào)諧濾波器原理主要分為Michelson干涉儀、Fabry-Perot干涉儀和介質(zhì)膜濾波器等等；而所采用的驅(qū)動(dòng)主要有壓電陶瓷、微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS）以及溫度傳感等等。
　　　　 
    基于干涉型的OPM模塊基本工作原理如下：首先，從光網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)中，提取出來(lái)一定比例的光功率，傳送到可調(diào)諧濾波器；可調(diào)諧濾波器對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行濾波，將一定帶寬的光信號(hào)透過(guò)，再導(dǎo)入光電探測(cè)器中；光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，對(duì)光信號(hào)采樣，將光信號(hào)的振幅轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給信號(hào)處理與控制器；信號(hào)處理與控制器在接收了采樣數(shù)據(jù)后，再發(fā)送指令，改變可調(diào)諧濾波器的通帶波長(zhǎng)，如此反復(fù)，直到掃描完所需的整個(gè)波長(zhǎng)范圍；最后信號(hào)處理器將得到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，計(jì)算得出光信號(hào)的通道中心波長(zhǎng)、光功率、OSNR等指標(biāo)，并將結(jié)果和光譜數(shù)據(jù)輸出。
    這類(lèi)OPM模塊最大的優(yōu)點(diǎn)是體積小，光路簡(jiǎn)單，沒(méi)有了分光元件，避免了由于光學(xué)元件衍射效應(yīng)帶來(lái)的通道間干擾；同時(shí)，由于采用的單個(gè)光電探測(cè)器，對(duì)光信號(hào)的采集效率和降低成本方面都有極大的改善。但是，作為核心器件的可調(diào)諧濾波器（TOF），目前還很難達(dá)到OPM所需要的帶寬和速率以及其他指標(biāo)，導(dǎo)致了這種結(jié)構(gòu)目前不被廣泛采用。首先，可調(diào)諧濾波器的技術(shù)還不成熟，成本居高不下；其次，采用驅(qū)動(dòng)對(duì)可調(diào)諧濾波器進(jìn)行高精度的定位和調(diào)節(jié)，不能對(duì)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣；最后，數(shù)據(jù)流為串行處理，掃描速度相對(duì)比較慢，使得這類(lèi)OPM對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控有一定的困難。
     兩種結(jié)構(gòu)的OPM模塊，都具有各種的特點(diǎn)，在不同指標(biāo)要求的應(yīng)用領(lǐng)域都具備各自的優(yōu)勢(shì)�？偟膩�(lái)說(shuō)，衍射型的設(shè)計(jì)具有快速、穩(wěn)定的特點(diǎn)，而干涉型的方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積��；數(shù)據(jù)采集上一個(gè)采用并行處理，一個(gè)采用串行處理；數(shù)據(jù)處理上的流程基本相同，首先根據(jù)各個(gè)模塊特有傳遞函數(shù)，采用去卷積算法對(duì)光譜進(jìn)行恢復(fù)，然后計(jì)算出通信線(xiàn)路上光信號(hào)通道所需參考的參數(shù)如中心波長(zhǎng)、通道光功率及各個(gè)信道的OSNR。目前，兩種類(lèi)型的OPM模塊都有相應(yīng)的產(chǎn)品系列。
3 技術(shù)指標(biāo)和研發(fā)現(xiàn)狀
    OPM模塊能夠針對(duì)通信系統(tǒng)中光信號(hào)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控線(xiàn)路上32nm左右波長(zhǎng)范圍內(nèi)的DWDM光信道的中心波長(zhǎng)、光功率、OSNR等。作為一個(gè)模塊，除了要求指標(biāo)上的穩(wěn)定和準(zhǔn)確之外，還要求能夠適應(yīng)各種惡劣的外部工作環(huán)境。一個(gè)典型的OPM模塊技術(shù)指標(biāo)主要包括：工作波長(zhǎng)范圍、波長(zhǎng)分辨率、波長(zhǎng)精度、輸入光功率范圍、光功率分辨率、光功率精度、OSNR、掃描時(shí)間、工作電壓、工作電流、工作溫度、儲(chǔ)存溫度、工作濕度、儲(chǔ)存濕度、外觀(guān)尺寸等等。
    目前，生產(chǎn)并提供OPM模塊的主要是一些國(guó)外廠(chǎng)家，包括Axsun 
Technologies, BaySpec, Ocean Optics, Yokogawa, Noyes Fiber
Systems, Cisco, OptovationLightchip, Nortel Telecom, Control
Development, Optenia, Lucent等十幾家公司；在國(guó)內(nèi)，武漢光迅科技股份有限責(zé)任公司（Accelink）自主研發(fā)的OPM模塊比較成熟。
    將OPM模塊按其功能可以分為低端和高端兩種。其中低端的OPM模塊只能對(duì)光信號(hào)的功率和波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這類(lèi)OPM模塊成本較低，應(yīng)用面也較廣；高端的OPM模塊能對(duì)光信號(hào)的波長(zhǎng)、功率、OSNR等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，相對(duì)成本比較昂貴，主要應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，為系統(tǒng)網(wǎng)管提供準(zhǔn)確可靠的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
    根據(jù)DWDM系統(tǒng)中光通道的波長(zhǎng)間隔范圍，OPM模塊可在規(guī)格型號(hào)上被分為50GHz, 100GHz, 200GHz，其中100GHz是目前比較常規(guī)的一種型號(hào)，50GHz的OPM模塊要求較高，但是系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。從可監(jiān)測(cè)的波長(zhǎng)范圍來(lái)看，主要可分為C波段或者C+L波段。
    評(píng)估一個(gè)OPM模塊指標(biāo)的最重要的方面就是OSNR的測(cè)量范圍和精度。對(duì)100GHz的系統(tǒng)，要求測(cè)得的OSNR指標(biāo)高于25dB，準(zhǔn)確度在+/-1dB以?xún)?nèi)。有些廠(chǎng)家生產(chǎn)的OPM模塊具備30dB的測(cè)量范圍。對(duì)50GHz的系統(tǒng)而言，由于通道間的串?dāng)_更加嚴(yán)重，系統(tǒng)對(duì)其OSNR指標(biāo)更為關(guān)注，一般要求OPM模塊也能達(dá)到25dB以上。
    作為一個(gè)功能模塊，除光學(xué)指標(biāo)之外，OPM的尺寸大小也是一個(gè)很重要的考慮因素。尺寸越小，就越具備市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。在與系統(tǒng)通訊的接口協(xié)議上，目前沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠(chǎng)家都根據(jù)自己的設(shè)計(jì)來(lái)定義，這個(gè)也是OPM模塊在系統(tǒng)上還沒(méi)有廣泛采用的一個(gè)因素。
    在以上提及的OPM模塊生產(chǎn)廠(chǎng)家里，以O(shè)cean Opitcs、Bayspec和Axsun這三家的產(chǎn)品最全面，也占據(jù)了目前主要的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)，武漢光迅科技股份有限責(zé)任公司（Accelink）生產(chǎn)的OPM模塊，可以用于C波段100GHz的DWDM系統(tǒng)，其性能達(dá)到同類(lèi)產(chǎn)品的領(lǐng)先水平（見(jiàn)表1）。表1對(duì)以上四個(gè)廠(chǎng)家OPM模塊的主要指標(biāo)進(jìn)行了比較。
 　 
      表1 幾種典型OPM的主要性能參數(shù)
    從表1可以看出，Accelink研發(fā)的OPM模塊在各項(xiàng)指標(biāo)上等同或優(yōu)于同類(lèi)產(chǎn)品。特別是在OSNR的測(cè)量精度和范圍上。圖5是Accelink的OPM模塊和 Λnritsu光譜儀同時(shí)對(duì)100GHz DWDM系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比通道光功率和OSNR的測(cè)試結(jié)果表明：在正常工作條件下，光功率精確度達(dá)到+/-0.5dBm，OSNR精確度在小于28dB時(shí)達(dá)到+/-1dB。另外，其波長(zhǎng)精確度保持在+/-30pm以?xún)?nèi)。
  　　　　
 　　　　 
圖5 Accelink的OPM和 Λnritsu的光譜儀對(duì)100GHz DWDM系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比
4 結(jié)束語(yǔ)
作為光網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一個(gè)組成部分，OPM模塊必將隨著光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而不斷改進(jìn)和完善，為光網(wǎng)絡(luò)的安全和穩(wěn)定提供保證。
 
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基金項(xiàng)目：國(guó)家“八六三計(jì)劃”資助項(xiàng)目(2003AA312080)
作者簡(jiǎn)介：何俊(1976-),男，湖北黃岡人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)楣馄骷�和光網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。