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)光器件及模塊帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇，對于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。光性能檢測模塊（OPM）作為一個在線監(jiān)測通道光功率、中心波長及光信噪比（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)造新的價值，引入新的技術(shù)，正是本文要闡述的主要內(nèi)容。

1 OPM簡介

早在2000年，隨著光通信行業(yè)的興起，OPM作為一個在線監(jiān)測通道光功率、中心波長及光信噪比（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，在實際光網(wǎng)絡(luò)中大量使用。

圖1 OPM的應(yīng)用節(jié)點示意圖

作為一個類似光譜儀的小型光譜監(jiān)測模塊，實現(xiàn)的技術(shù)手段種類繁多，但能夠在市場上推廣應(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)計方案在滿足基本的光學(xué)指標(biāo)要求時，各有各的優(yōu)點：基于衍射型的OPM沒有活動部件，能夠?qū)υO(shè)定的波長范圍內(nèi)不同波長的光信號進行同時采樣，其突出優(yōu)點是壽命長、穩(wěn)定性好、能夠快速測量；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。

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，在傳統(tǒng)的光纖線路上來解決這個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)對很多傳統(tǒng)的光無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OPM而言，其主要的改變在于兩點：1、不同種類的碼型帶來信號識別的困難；2、高速率下各種碼型的展寬帶來的信號計算方法的改變。

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，傳輸速率會進一步提高，調(diào)制解調(diào)的方式也會不斷更新。100G將是未來傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。

3 OPM在40G中的應(yīng)用特點

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網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和信號進行實時的檢測，從而進行動態(tài)的控制。對OPM而言，為光網(wǎng)絡(luò)提供可靠、準(zhǔn)確和實時的信息，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，我們首先對幾種儀表及不同傳輸碼型及速率下的測試能力進行對比，說明OPM在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的特點。

圖2 測試框圖

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

表3 OPM、光譜儀和光功率計的對比結(jié)果

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

3.1 尋峰

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

1、誤檢

誤檢，即將實際不存在的光信號上報。在實際測試中，產(chǎn)生誤檢的原因主要有：1）噪聲過大，被誤判為信號；2）信號光的邊模等現(xiàn)象被誤判為信號。對于10G系統(tǒng)由于10G信號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，而對于40G系統(tǒng)，由于光譜展寬，使得光信號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，即沒有上報出實際存在的光信號。在實際測試中，產(chǎn)生漏檢的原因主要有：1）信號過低，低于OPM所設(shè)置的光功率閾值；2）信號間隔過窄，超出了OPM所設(shè)置的信道間隔閾值。對于40G信號，由于信號光譜展寬，其信號峰值與信號功率有很大差異，使得基于峰值光功率的判決方式往往導(dǎo)致漏檢。同時，由于光譜展寬，使得信號峰值位置定位出現(xiàn)偏差，信道間隔計算誤差較大，一旦計算結(jié)果偏小也可能導(dǎo)致漏檢。

由此可以看出，對40G信號，信號的自身展寬及信號對其他通道的串?dāng)_加劇是導(dǎo)致尋峰判決更加困難。通過對各種40G信號的光譜特征及40G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點，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，最終需要實現(xiàn)的是不同廠家、不同規(guī)格的光網(wǎng)絡(luò)對接，實現(xiàn)光信號的透明傳輸。這就為OPM提出了一個新的課題：識別不同碼型及速率。

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)品的測試光譜，其中比較了OSA和OPM實測40G NRZ和40G NRZ-DPSK的光譜對比。從圖中可以看出，除了動態(tài)范圍的差異，OSA和OPM都能很好的反應(yīng)出40G信號下兩種碼型的譜寬，從而說明通過對各種碼型的光譜特征的細(xì)致研究，OPM識別碼型的功能是可以實現(xiàn)的。

圖3 OSA和OPM測試的40G NRZ和NRZ-DPSK的光譜對比

3.3中心波長的計算

對40G信號的中心波長計算，如果采用原有針對10G信號的中心波長算法，則可能導(dǎo)致波長探測精度超標(biāo)，這主要是40G傳輸速率下，信號光譜展寬造成的。OPM自身帶寬及采集點數(shù)量的限制，導(dǎo)致在光譜展寬的情況下，峰值附近的采樣點的大小差異進一步減小，計算中心波長的條件減弱，從而最終影響其中心波長的精度。

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

3.4光功率的計算；

信號光功率的計算是40G系統(tǒng)對OPM要求最為嚴(yán)格的指標(biāo)之一，也是實現(xiàn)智能管理的關(guān)鍵指標(biāo)之一。OPM的信號光功率的計算準(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。相對于10G信號的光功率計算的方法，OPM在計算40G信號光功率時，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信號間的串?dāng)_問題也是影響計算功率準(zhǔn)確度的重要因素。在很多實際的50GHz通道間隔系統(tǒng)中，相鄰信道40G信號間的串?dāng)_是非常嚴(yán)重的。對于10G和40G混傳的系統(tǒng)，40G信號對10G的影響也是較明顯。因此，對于40G信號的光功率計算，需要重點解決的一個問題就是碼型的識別，從而進行差異化的參數(shù)配置和處理方式。

3.5OSNR的計算

對于OSNR的計算，傳統(tǒng)的方法是外插法，即在信號光帶寬以外尋找噪聲點，從而估算信號的噪聲水平。對于OPM而言，信號經(jīng)過分光系統(tǒng)后會發(fā)生展寬，在采用外插法之前，需經(jīng)過去卷積的運算，來對信號進行還原。這種計算方法基本能夠滿足目前實際10G傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用方式，可以較為準(zhǔn)確的計算出信號的OSNR。

對于40G信號而言，由于光譜展寬往往超過了DWDM的噪聲測試點，原有的噪聲測試點上同時有信號的存在，外插法已不再適用，在這種情況下可采用帶內(nèi)測試的方案。帶內(nèi)法即噪聲點的選取在信號帶寬范圍之內(nèi)，一般采用信號光和噪聲光不同的偏振特性來進行信號光與噪聲光的分離，從而準(zhǔn)確的得出OSNR，這將是OPM發(fā)展的一個重要技術(shù)方向。

實際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信號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)中往往作為一個參考的指標(biāo)出現(xiàn)，不再成為評估系統(tǒng)性能最重要的參數(shù)之一，對OPM測試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，兼容10G信號的識別，支持多種碼型混傳的識別、計算功能，其中包含DPSK，DQPSK等。特別值得一提的是，OPM支持50GHz間隔下40Gbps信號的網(wǎng)絡(luò)識別功能，最大可同時識別96個信道，掃描速度小于200ms。

雖然OPM在40G光網(wǎng)絡(luò)中有所突破，但全面智能的實現(xiàn)40G環(huán)境應(yīng)用，還需要進一步提升OPM自身的性能指標(biāo)，并加強應(yīng)用環(huán)境的研究，才能最終滿足系統(tǒng)的需求。

OPM需求重點研究的問題如下：

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，特別是各種信號混傳下的光譜特性分析；

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

4、帶內(nèi)法測試OSNR的技術(shù)；

5、低成本的解決方案。

總的來說，無論從技術(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，需要研究和改進的地方還很多。

5 結(jié)束語

隨著40G光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，OPM面臨了諸多新的問題，如帶內(nèi)OSNR測試方法、復(fù)雜構(gòu)建下信號的識別、越來越小的通道間隔、多碼型的識別等等，但最大的問題還是OPM的成本問題。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OPM模塊的需求越來越大，提出的要求也越來越高，OPM模塊只有不斷改進和完善，適應(yīng)新的需求，才能進一步為光網(wǎng)絡(luò)的安全和穩(wěn)定提供保證。

參考文獻：

[1] 何俊，楊明，劉明睿，胡強高. “DWDM系統(tǒng)光通道性能在線監(jiān)控模塊”.《光通信研究》. vol.133, p: 48-49, 2006

[2] 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

[3] 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.

[4] R.Habel, K.Roberts, A.Solheim, J.Harley. Optical Domain Performance Monitoring, OFC 2000, 171-173, 2000, Baltimore.