光波通信

作者：武汉光迅科技股份有限公司

随着DWDM技术的不断升级，通信网中的光信道间隔由200GHz发展到100GHz、50GHz甚至25GHz，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。首先，对系统商和设备商而言，为保证光网络在多信道和高速率情况下稳定可靠地运行，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；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、简易的、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。图1是OPM模块在DWDM系统中使用的一个比较典型的实例。

OPM模块在DWDM系统中的使用实例

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，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。

衍射型OPM

衍射型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。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OPM模块的原理进行说明（图2）。

在这种结构中，首先从网络中提取出一定功率的光信号；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像素上，并在阵列探测器上按波长依次分布；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、光功率、OSNR等各种参数（图3），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，能够对设定波长范围内的不同波长的光信号同时采样，其突出优点是稳定性好、测量速度快。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像素尺寸和像素数量的限制，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50GHz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。

基于透射型衍射光栅的单通OPM模块结构示意图

为了避免以上缺点和提高测量精度，很多改进方案被提了出来。例如使用双通或四通结构，即在光学结构中巧妙地增加一些装置，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。

衍射型OPM模块目前被大部分公司采用。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改善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。

干涉型OPM2fy光波通信

干涉型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（图4）。同样，这种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主要分为Michelson干涉仪、Fabry-Perot干涉仪和介质膜滤波器等；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。

干涉型OPM模块基本工作原理如下：首先，从光网络的信号中，提取出一定的光功率，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，避免了光学元件衍射效应带来的通道间干扰；同时，由于采用单个光电探测器，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，都具有各自的特点，在不同指标要求的应用领域都具备各自的优势。总的来说，衍射型具有快速、稳定的特点，而干涉型结构简单、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。目前，两种类型的OPM模块都有相应的产品系列。

产品技术指标和开发现状

OPM模块能够针对通信系统中光信号的特点，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。

光信号及参数示意图

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，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，是未来发展的方向。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。

干涉型OPM结构示意图

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的尺寸也是一个很重要的因素。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。

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等十几家公司；在国内，主要是武汉光迅科技股份有限公司。在上述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，武汉光迅开发的OPM模块已经比较成熟，可以用于C波段100GHz的DWDM系统。

武汉光迅的OPM和日本安立的光谱仪对100GHz DWDM系统测试结果对比。

通过用武汉光迅开发的OPM模块和日本安立光谱仪同时对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）。

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