OPM在40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

摘要：不斷發(fā)展的光智能傳送網(wǎng)給各種傳統(tǒng)光器件及模塊帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，對(duì)于40Gbps傳輸網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)常規(guī)光器件及模塊面臨著新的課題。光性能檢測(cè)模塊（OPM）作為一個(gè)在線監(jiān)測(cè)通道光功率、中心波長(zhǎng)及光信噪比（OSNR）等指標(biāo)的功能模塊，在40Gbps的傳輸網(wǎng)絡(luò)中如何適應(yīng)新的需求，創(chuàng)造新的價(jià)值，引入新的技術(shù)，正是本文要闡述的主要內(nèi)容。

1 OPM簡(jiǎn)介

早在2000年，隨著光通信行業(yè)的興起，OPM作為一個(gè)在線監(jiān)測(cè)通道光功率、中心波長(zhǎng)及光信噪比（OSNR）等指標(biāo)的功能模塊已經(jīng)引起人們的關(guān)注，也有相應(yīng)的產(chǎn)品面世，但一直未能在實(shí)際系統(tǒng)中大規(guī)模的使用。直到2008年，隨著ROADM的技術(shù)成熟，智能光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和3G網(wǎng)絡(luò)的推廣，OPM才逐漸由一個(gè)可選配件成為光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中不可或缺的一部分，在實(shí)際光網(wǎng)絡(luò)中大量使用。

圖1 OPM的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)示意圖

作為一個(gè)類似光譜儀的小型光譜監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段種類繁多，但能夠在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用的主要有兩種：一種是基于衍射型的結(jié)構(gòu)，主要由體光柵和陣列探測(cè)器組成，其生產(chǎn)廠商有Accelink（武漢光迅科技股份有限公司）、Bayspec等；另一種是干涉型的結(jié)構(gòu)，主要基于TOF（Tunable optical filter）技術(shù)，其生產(chǎn)廠商有Axsun、Optoplex等。兩種設(shè)計(jì)方案在滿足基本的光學(xué)指標(biāo)要求時(shí)，各有各的優(yōu)點(diǎn)：基于衍射型的OPM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)是壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、能夠快速測(cè)量；而基于TOF技術(shù)的OPM則能在體積和成本上占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)。

表1是OPM的光學(xué)性能指標(biāo)（以Accelink的產(chǎn)品為例）。

表1 OPM的主要性能參數(shù)

2 40G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展基于傳輸容量需求不斷增長(zhǎng)，在傳統(tǒng)的光纖線路上來(lái)解決這個(gè)矛盾的主要手段有兩種：1、提高傳輸速率；2、增加傳輸?shù)臄?shù)量。40Gbps的傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟并得到廣泛的應(yīng)用，40Gbps的光網(wǎng)絡(luò)對(duì)很多傳統(tǒng)的光無(wú)源器件提出了較高的色散（CD）和偏振模相關(guān)度（PMD）的要求，而對(duì)OPM而言，其主要的改變?cè)谟趦牲c(diǎn)：1、不同種類的碼型帶來(lái)信號(hào)識(shí)別的困難；2、高速率下各種碼型的展寬帶來(lái)的信號(hào)計(jì)算方法的改變。

在10Gbps網(wǎng)絡(luò)中，主要的調(diào)整手段為幅度調(diào)制，主要的傳輸碼型為NRZ（非歸零碼），RZ（歸零碼）；而在40Gbps網(wǎng)絡(luò)中，由于傳輸速率的提高，相位調(diào)制成為了主要的手段。下表列舉了部分傳輸碼型的調(diào)制方式及光譜特征，其中包含：NRZ（非歸零碼），RZ-50%(占空比50%的歸零碼)，PSBT(相位整形二進(jìn)制傳輸)，NRZ-DPSK(非歸零-差分相移鍵控)，RZ-50% DPSK(占空比50%的歸零碼-差分正交相移鍵控)，NRZ-DQPSK(非歸零-差分正交相移鍵控)，RZ-50% DQPSK(占空比 50% 歸零碼－差分正交相移鍵控)，DP-DQPSK(雙偏振差分正交相移鍵控)。

表2 各種編碼的幅度、相位和光譜

目前實(shí)際40G系統(tǒng)使用較多的編碼為NRZ-DPSK和NRZ-DQPSK，而隨著光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳輸速率會(huì)進(jìn)一步提高，調(diào)制解調(diào)的方式也會(huì)不斷更新。100G將是未來(lái)傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 OPM在40G中的應(yīng)用特點(diǎn)

光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展除了速率不斷提升之外，其智能化程度也在不斷提升。而智能化的管理就需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制。對(duì)OPM而言，為光網(wǎng)絡(luò)提供可靠、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的信息，成為光網(wǎng)絡(luò)管理的重要環(huán)節(jié)，其作用不可小視。在40G的光傳輸網(wǎng)絡(luò)中，我們首先對(duì)幾種儀表及不同傳輸碼型及速率下的測(cè)試能力進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明OPM在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的特點(diǎn)。

圖2 測(cè)試框圖

表3說(shuō)明OPM的測(cè)試能力和光譜儀一致，而光功率計(jì)則只能測(cè)試光功率一項(xiàng)。值得一提的是，對(duì)OSNR的測(cè)試，目前OPM和OSA都是基于外插法進(jìn)行測(cè)試，而對(duì)于40G傳輸下的光信號(hào)，由于光譜的展寬往往超出了DWDM的噪聲測(cè)試點(diǎn)，所以無(wú)法得到準(zhǔn)確的OSNR值，其結(jié)果僅能作為參考。

表3 OPM、光譜儀和光功率計(jì)的對(duì)比結(jié)果

OPM作為一個(gè)在線模塊，相對(duì)于光譜儀和光功率計(jì)而言其最大的優(yōu)勢(shì)還是體現(xiàn)在其低廉的價(jià)格和高度的集成性。越來(lái)越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和越來(lái)越快的傳輸速度，使得OPM承擔(dān)的作用和重要性也越來(lái)越大。針對(duì)40Gbps信號(hào)的特點(diǎn)，OPM主要面臨以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)和需要改進(jìn)的地方：

3.1 尋峰

無(wú)論在任何系統(tǒng)中，首先關(guān)注的問(wèn)題是OPM能否正確監(jiān)測(cè)出信號(hào)光。實(shí)際使用環(huán)境中，往往是10G信號(hào)與40G信號(hào)混傳的方式，不同的信號(hào)光在經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器（EDFA）、光上下話路（OAMD）等等器件之后，整個(gè)光譜以及信號(hào)光的譜型將發(fā)生很大變化，特別是40G信號(hào)自身的展寬影響，這些都要求尋峰算法提出新的要求。尋峰錯(cuò)誤主要體現(xiàn)為兩種：

1、誤檢

誤檢，即將實(shí)際不存在的光信號(hào)上報(bào)。在實(shí)際測(cè)試中，產(chǎn)生誤檢的原因主要有：1）噪聲過(guò)大，被誤判為信號(hào)；2）信號(hào)光的邊模等現(xiàn)象被誤判為信號(hào)。對(duì)于10G系統(tǒng)由于10G信號(hào)本身光譜特性與噪聲背景及毛刺有很大差異，比較容易區(qū)分，而對(duì)于40G系統(tǒng)，由于光譜展寬，使得光信號(hào)與噪聲在各種器件后產(chǎn)生的譜形相當(dāng)接近，因而容易產(chǎn)生誤檢。

2、漏波

所謂漏檢，即沒(méi)有上報(bào)出實(shí)際存在的光信號(hào)。在實(shí)際測(cè)試中，產(chǎn)生漏檢的原因主要有：1）信號(hào)過(guò)低，低于OPM所設(shè)置的光功率閾值；2）信號(hào)間隔過(guò)窄，超出了OPM所設(shè)置的信道間隔閾值。對(duì)于40G信號(hào)，由于信號(hào)光譜展寬，其信號(hào)峰值與信號(hào)功率有很大差異，使得基于峰值光功率的判決方式往往導(dǎo)致漏檢。同時(shí)，由于光譜展寬，使得信號(hào)峰值位置定位出現(xiàn)偏差，信道間隔計(jì)算誤差較大，一旦計(jì)算結(jié)果偏小也可能導(dǎo)致漏檢。

由此可以看出，對(duì)40G信號(hào)，信號(hào)的自身展寬及信號(hào)對(duì)其他通道的串?dāng)_加劇是導(dǎo)致尋峰判決更加困難。通過(guò)對(duì)各種40G信號(hào)的光譜特征及40G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)，建立完善和準(zhǔn)確的判決條件是保障OPM正確尋峰的基本條件。

3.2不同碼型及速率的識(shí)別

全光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架和智能網(wǎng)絡(luò)的概念普及，最終需要實(shí)現(xiàn)的是不同廠家、不同規(guī)格的光網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的透明傳輸。這就為OPM提出了一個(gè)新的課題：識(shí)別不同碼型及速率。

由表2可以看到，不同的碼型和速率組合得到的光譜形狀不同，這就為OPM提供了識(shí)別不同速率和碼型的理論依據(jù)。

圖3為Accelink的OPM產(chǎn)品的測(cè)試光譜，其中比較了OSA和OPM實(shí)測(cè)40G NRZ和40G NRZ-DPSK的光譜對(duì)比。從圖中可以看出，除了動(dòng)態(tài)范圍的差異，OSA和OPM都能很好的反應(yīng)出40G信號(hào)下兩種碼型的譜寬，從而說(shuō)明通過(guò)對(duì)各種碼型的光譜特征的細(xì)致研究，OPM識(shí)別碼型的功能是可以實(shí)現(xiàn)的。

圖3 OSA和OPM測(cè)試的40G NRZ和NRZ-DPSK的光譜對(duì)比

3.3中心波長(zhǎng)的計(jì)算

對(duì)40G信號(hào)的中心波長(zhǎng)計(jì)算，如果采用原有針對(duì)10G信號(hào)的中心波長(zhǎng)算法，則可能導(dǎo)致波長(zhǎng)探測(cè)精度超標(biāo)，這主要是40G傳輸速率下，信號(hào)光譜展寬造成的。OPM自身帶寬及采集點(diǎn)數(shù)量的限制，導(dǎo)致在光譜展寬的情況下，峰值附近的采樣點(diǎn)的大小差異進(jìn)一步減小，計(jì)算中心波長(zhǎng)的條件減弱，從而最終影響其中心波長(zhǎng)的精度。

針對(duì)各種不同編碼的40G信號(hào)的差異，研究不同的中心波長(zhǎng)計(jì)算方法，是提高40G系統(tǒng)下中心波長(zhǎng)計(jì)算準(zhǔn)確的必要手段。

3.4光功率的計(jì)算；

信號(hào)光功率的計(jì)算是40G系統(tǒng)對(duì)OPM要求最為嚴(yán)格的指標(biāo)之一，也是實(shí)現(xiàn)智能管理的關(guān)鍵指標(biāo)之一。OPM的信號(hào)光功率的計(jì)算準(zhǔn)確度主要取決于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及功率積分帶寬的選擇。相對(duì)于10G信號(hào)的光功率計(jì)算的方法，OPM在計(jì)算40G信號(hào)光功率時(shí)，其主要的差別在于參數(shù)的配置及功率校準(zhǔn)的方式。

另一方面，40G信號(hào)間的串?dāng)_問(wèn)題也是影響計(jì)算功率準(zhǔn)確度的重要因素。在很多實(shí)際的50GHz通道間隔系統(tǒng)中，相鄰信道40G信號(hào)間的串?dāng)_是非常嚴(yán)重的。對(duì)于10G和40G混傳的系統(tǒng)，40G信號(hào)對(duì)10G的影響也是較明顯。因此，對(duì)于40G信號(hào)的光功率計(jì)算，需要重點(diǎn)解決的一個(gè)問(wèn)題就是碼型的識(shí)別，從而進(jìn)行差異化的參數(shù)配置和處理方式。

3.5OSNR的計(jì)算

對(duì)于OSNR的計(jì)算，傳統(tǒng)的方法是外插法，即在信號(hào)光帶寬以外尋找噪聲點(diǎn)，從而估算信號(hào)的噪聲水平。對(duì)于OPM而言，信號(hào)經(jīng)過(guò)分光系統(tǒng)后會(huì)發(fā)生展寬，在采用外插法之前，需經(jīng)過(guò)去卷積的運(yùn)算，來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行還原。這種計(jì)算方法基本能夠滿足目前實(shí)際10G傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用方式，可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算出信號(hào)的OSNR。

對(duì)于40G信號(hào)而言，由于光譜展寬往往超過(guò)了DWDM的噪聲測(cè)試點(diǎn)，原有的噪聲測(cè)試點(diǎn)上同時(shí)有信號(hào)的存在，外插法已不再適用，在這種情況下可采用帶內(nèi)測(cè)試的方案。帶內(nèi)法即噪聲點(diǎn)的選取在信號(hào)帶寬范圍之內(nèi)，一般采用信號(hào)光和噪聲光不同的偏振特性來(lái)進(jìn)行信號(hào)光與噪聲光的分離，從而準(zhǔn)確的得出OSNR，這將是OPM發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)方向。

實(shí)際40G傳輸系統(tǒng)，由于多采用相位調(diào)制的碼型，而這種碼型在接受端對(duì)信號(hào)OSNR要求遠(yuǎn)低于10G調(diào)幅的解調(diào)方式，所以O(shè)SNR在40G光網(wǎng)絡(luò)中往往作為一個(gè)參考的指標(biāo)出現(xiàn)，不再成為評(píng)估系統(tǒng)性能最重要的參數(shù)之一，對(duì)OPM測(cè)試OSNR的范圍和精度也有適度的放松。

4 OPM在40G中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠家明確提出了40G OPM的規(guī)格需求，OPM供應(yīng)廠家也能夠在一些常用的碼型下滿足客戶的需求。以Accelink的OPM產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品在滿足40G網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，兼容10G信號(hào)的識(shí)別，支持多種碼型混傳的識(shí)別、計(jì)算功能，其中包含DPSK，DQPSK等。特別值得一提的是，OPM支持50GHz間隔下40Gbps信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)識(shí)別功能，最大可同時(shí)識(shí)別96個(gè)信道，掃描速度小于200ms。

雖然OPM在40G光網(wǎng)絡(luò)中有所突破，但全面智能的實(shí)現(xiàn)40G環(huán)境應(yīng)用，還需要進(jìn)一步提升OPM自身的性能指標(biāo)，并加強(qiáng)應(yīng)用環(huán)境的研究，才能最終滿足系統(tǒng)的需求。

OPM需求重點(diǎn)研究的問(wèn)題如下：

1、40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的各種碼型特征；

2、40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，特別是各種信號(hào)混傳下的光譜特性分析；

3、40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)下對(duì)50GHz間隔的信號(hào)處理方式；

4、帶內(nèi)法測(cè)試OSNR的技術(shù)；

5、低成本的解決方案。

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)論從技術(shù)手段還是應(yīng)用需求，OPM能夠適應(yīng)40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也必須滿足40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求。目前的OPM在40G光傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用才剛剛起步，需要研究和改進(jìn)的地方還很多。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著40G光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，OPM面臨了諸多新的問(wèn)題，如帶內(nèi)OSNR測(cè)試方法、復(fù)雜構(gòu)建下信號(hào)的識(shí)別、越來(lái)越小的通道間隔、多碼型的識(shí)別等等，但最大的問(wèn)題還是OPM的成本問(wèn)題。隨著光網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)速率的提高及智能化的程度不斷提升，系統(tǒng)對(duì)OPM模塊的需求越來(lái)越大，提出的要求也越來(lái)越高，OPM模塊只有不斷改進(jìn)和完善，適應(yīng)新的需求，才能進(jìn)一步為光網(wǎng)絡(luò)的安全和穩(wěn)定提供保證。

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