OPM在40G光傳輸網(wǎng)絡(luò )中的應用

摘要：不斷發(fā)展的光智能傳送網(wǎng)給各種傳統光器件及模塊帶來(lái)了新的挑戰和機遇，對于40Gbps傳輸網(wǎng)絡(luò )，大多數常規光器件及模塊面臨著(zhù)新的課題。光性能檢測模塊（OPM）作為一個(gè)在線(xiàn)監測通道光功率、中心波長(cháng)及光信噪比（OSNR）等指標的功能模塊，在40Gbps的傳輸網(wǎng)絡(luò )中如何適應新的需求，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容。

1 OPM簡(jiǎn)介

早在2000年，隨著(zhù)光通信行業(yè)的興起，OPM作為一個(gè)在線(xiàn)監測通道光功率、中心波長(cháng)及光信噪比（OSNR）等指標的功能模塊已經(jīng)引起人們的關(guān)注，也有相應的產(chǎn)品面世，但一直未能在實(shí)際系統中大規模的使用。直到2008年，隨著(zhù)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的應用節點(diǎn)示意圖

作為一個(gè)類(lèi)似光譜儀的小型光譜監測模塊，實(shí)現的技術(shù)手段種類(lèi)繁多，但能夠在市場(chǎng)上推廣應用的主要有兩種：一種是基于衍射型的結構，主要由體光柵和陣列探測器組成，其生產(chǎn)廠(chǎng)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構，主要基于TOF（Tunable optical filter）技術(shù)，其生產(chǎn)廠(chǎng)商有Axsun、Optoplex等。兩種設計方案在滿(mǎn)足基本的光學(xué)指標要求時(shí)，各有各的優(yōu)點(diǎn)：基于衍射型的OPM沒(méi)有活動(dòng)部件，能夠對設定的波長(cháng)范圍內不同波長(cháng)的光信號進(jìn)行同時(shí)采樣，其突出優(yōu)點(diǎn)是壽命長(cháng)、穩定性好、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一定的優(yōu)勢。

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

表1 OPM的主要性能參數

2 40G網(wǎng)絡(luò )的應用

光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展基于傳輸容量需求不斷增長(cháng)，在傳統的光纖線(xiàn)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、增加傳輸的數量。40Gbps的傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟并得到廣泛的應用，40Gbps的光網(wǎng)絡(luò )對很多傳統的光無(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OPM而言，其主要的改變在于兩點(diǎn)：1、不同種類(lèi)的碼型帶來(lái)信號識別的困難；2、高速率下各種碼型的展寬帶來(lái)的信號計算方法的改變。

在10Gbps網(wǎng)絡(luò )中，主要的調整手段為幅度調制，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，相位調制成為了主要的手段。下表列舉了部分傳輸碼型的調制方式及光譜特征，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系統使用較多的編碼為NRZ-DPSK和NRZ-DQPSK，而隨著(zhù)光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，傳輸速率會(huì )進(jìn)一步提高，調制解調的方式也會(huì )不斷更新。100G將是未來(lái)傳輸網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢。

3 OPM在40G中的應用特點(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網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)和信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制。對OPM而言，為光網(wǎng)絡(luò )提供可靠、準確和實(shí)時(shí)的信息，成為光網(wǎng)絡(luò )管理的重要環(huán)節，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(jìn)行對比，說(shuō)明OPM在網(wǎng)絡(luò )應用中的特點(diǎn)。

圖2 測試框圖

表3說(shuō)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(jìn)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(diǎn)，所以無(wú)法得到準確的OSNR值，其結果僅能作為參考。

表3 OPM、光譜儀和光功率計的對比結果

OPM作為一個(gè)在線(xiàn)模塊，相對于光譜儀和光功率計而言其最大的優(yōu)勢還是體現在其低廉的價(jià)格和高度的集成性。越來(lái)越復雜的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和越來(lái)越快的傳輸速度，使得OPM承擔的作用和重要性也越來(lái)越大。針對40Gbps信號的特點(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)論在任何系統中，首先關(guān)注的問(wèn)題是OPM能否正確監測出信號光。實(shí)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(guò)摻鉺光纖放大器（EDFA）、光上下話(huà)路（OAMD）等等器件之后，整個(gè)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。尋峰錯誤主要體現為兩種：

1、誤檢

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

2、漏波

所謂漏檢，即沒(méi)有上報出實(shí)際存在的光信號。在實(shí)際測試中，產(chǎn)生漏檢的原因主要有：1）信號過(guò)低，低于OPM所設置的光功率閾值；2）信號間隔過(guò)窄，超出了OPM所設置的信道間隔閾值。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致漏檢。同時(shí)，由于光譜展寬，使得信號峰值位置定位出現偏差，信道間隔計算誤差較大，一旦計算結果偏小也可能導致漏檢。

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擾加劇是導致尋峰判決更加困難。通過(guò)對各種40G信號的光譜特征及40G網(wǎng)絡(luò )應用的特點(diǎn)，建立完善和準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 )的構架和智能網(wǎng)絡(luò )的概念普及，最終需要實(shí)現的是不同廠(chǎng)家、不同規格的光網(wǎng)絡(luò )對接，實(shí)現光信號的透明傳輸。這就為OPM提出了一個(gè)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。

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

圖3 OSA和OPM測試的40G NRZ和NRZ-DPSK的光譜對比

3.3中心波長(cháng)的計算

對40G信號的中心波長(cháng)計算，如果采用原有針對10G信號的中心波長(cháng)算法，則可能導致波長(cháng)探測精度超標，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(diǎn)數量的限制，導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，計算中心波長(cháng)的條件減弱，從而最終影響其中心波長(cháng)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(cháng)計算方法，是提高40G系統下中心波長(cháng)計算準確的必要手段。

3.4光功率的計算；

信號光功率的計算是40G系統對OPM要求最為嚴格的指標之一，也是實(shí)現智能管理的關(guān)鍵指標之一。OPM的信號光功率的計算準確度主要取決于數據的穩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(shí)，其主要的差別在于參數的配置及功率校準的方式。

另一方面，40G信號間的串擾問(wèn)題也是影響計算功率準確度的重要因素。在很多實(shí)際的50GHz通道間隔系統中，相鄰信道40G信號間的串擾是非常嚴重的。對于10G和40G混傳的系統，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(diǎn)解決的一個(gè)問(wèn)題就是碼型的識別，從而進(jìn)行差異化的參數配置和處理方式。

3.5OSNR的計算

對于OSNR的計算，傳統的方法是外插法，即在信號光帶寬以外尋找噪聲點(diǎn)，從而估算信號的噪聲水平。對于OPM而言，信號經(jīng)過(guò)分光系統后會(huì )發(fā)生展寬，在采用外插法之前，需經(jīng)過(guò)去卷積的運算，來(lái)對信號進(jìn)行還原。這種計算方法基本能夠滿(mǎn)足目前實(shí)際10G傳輸系統的應用方式，可以較為準確的計算出信號的OSNR。

對于40G信號而言，由于光譜展寬往往超過(guò)了DWDM的噪聲測試點(diǎn)，原有的噪聲測試點(diǎn)上同時(shí)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測試的方案。帶內法即噪聲點(diǎn)的選取在信號帶寬范圍之內，一般采用信號光和噪聲光不同的偏振特性來(lái)進(jìn)行信號光與噪聲光的分離，從而準確的得出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，由于多采用相位調制的碼型，而這種碼型在接受端對信號OSNR要求遠低于10G調幅的解調方式，所以OSNR在40G光網(wǎng)絡(luò )中往往作為一個(gè)參考的指標出現，不再成為評估系統性能最重要的參數之一，對OPM測試OSNR的范圍和精度也有適度的放松。

4 OPM在40G中的應用現狀

目前，光網(wǎng)絡(luò )系統設計廠(chǎng)家明確提出了40G OPM的規格需求，OPM供應廠(chǎng)家也能夠在一些常用的碼型下滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。以Accelink的OPM產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品在滿(mǎn)足40G網(wǎng)絡(luò )的同時(shí)，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(shí)識別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40G環(huán)境應用，還需要進(jìn)一步提升OPM自身的性能指標，并加強應用環(huán)境的研究，才能最終滿(mǎn)足系統的需求。

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、帶內法測試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)手段還是應用需求，OPM能夠適應40G光傳輸網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展也必須滿(mǎn)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 )的應用才剛剛起步，需要研究和改進(jìn)的地方還很多。

5 結束語(yǔ)

隨著(zhù)40G光網(wǎng)絡(luò )的應用，OPM面臨了諸多新的問(wèn)題，如帶內OSNR測試方法、復雜構建下信號的識別、越來(lái)越小的通道間隔、多碼型的識別等等，但最大的問(wèn)題還是OPM的成本問(wèn)題。隨著(zhù)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，系統對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，適應新的需求，才能進(jìn)一步為光網(wǎng)絡(luò )的安全和穩定提供保證。

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