下一代網(wǎng)絡(luò)中的光信噪比：偏振分辨光頻譜分析可實現(xiàn)快速、精確的帶內(nèi)光信噪比測量

人們普遍認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)用于下一代網(wǎng)絡(luò)時，傳統(tǒng)的IEC推薦的光信噪比（OSNR）測量技術(shù)無法提供所需的精度。由于這些下一代網(wǎng)絡(luò)采用可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）和/或多比特/符號高級調(diào)制格式（大多數(shù)40 Gbit/s和100 Gbit/s傳輸都采用這些格式），使用傳統(tǒng)的OSNR測量方法會導(dǎo)致OSNR值被高估或低估。

當(dāng)ROADM 首次引入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r，一些商用光頻譜分析儀 (OSA) 采用“偏振零點”方法來測量濾波后的密集波分復(fù)用 (DWDM) 信道中的光信噪比 (OSNR)。然而，由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，偏振零點方法在許多實際應(yīng)用中已無法滿足需求。本文將介紹一種方法，該方法不僅利用數(shù)據(jù)信號和噪聲偏振特性的相對差異，還利用了它們各自的光譜特性。此外，我們還將回顧這兩種方法并討論它們的局限性。

極化零化

偏振零化方法基于一個通常合理的假設(shè)，即被測光信號通常具有高度偏振性，而疊加的噪聲則不具有偏振性。測量裝置包括一個偏振控制器、一個偏振分光器和一個雙通道掃描單色儀（即OSA），如圖1所示（為簡單起見，圖中省略了檢測、信號處理和顯示電子設(shè)備）。

圖1. 用于偏振零化技術(shù)的 OSA 示意圖

偏振零化方法涉及調(diào)整（內(nèi)部）偏振控制器，以盡可能消除OSA兩個檢測通道之一中的信號。這種調(diào)整相當(dāng)于將偏振分路器（用作偏振器）的兩個輸出之一與（偏振）信號正交對準(zhǔn)。當(dāng)實現(xiàn)這一點時，在該特定波長下到達(dá)該分支探測器的光功率僅為噪聲功率的一半（因為噪聲被假定為非偏振光，因此在兩個分支之間平均分配）。

這樣可以測量噪聲水平，由于OSA還會測量總功率（噪聲+信號），因此可以計算特定波長的光信噪比（OSNR）。為了使偏振零點校正能夠提供可接受的測量結(jié)果，被測DWDM信道和OSA本身必須滿足以下條件：

鏈路上的偏振模色散(PMD) 應(yīng)非常小，最好接近于零。PMD 會使光頻譜分析儀 (OSA) 分辨率帶寬 (RBW) 內(nèi)的信號部分去偏振，因此無法完全消除偏振。實際上，對 PMD 有一定的容忍度，尤其是在待測光信噪比 (OSNR) 不高（例如 <20 dB）且 OSA 的 RBW 非常窄的情況下。盡管如此，PMD 最終仍會限制可達(dá)到的最大 OSNR 值。

OSA 中的偏振光學(xué)元件，特別是偏振分束器，也必須能夠提供非常高的消光比，因為最大可測量的 OSNR 直接取決于消光比；

光頻譜分析儀(OSA) 中的偏振控制器必須能夠快速找到密集波分復(fù)用 (DWDM) 信道中多個波長對應(yīng)的最大消光比偏振態(tài) (SOP)。然而，當(dāng)光信噪比 (OSNR) 大于 20 dB 時，測量過程會非常耗時（即采集時間過長），實際上可能難以精確測量。當(dāng)需要同時表征多個 DWDM 信道時，例如覆蓋大部分 C 波段的 16 個或更多信道，這個問題會更加嚴(yán)重。

偏振分辨光譜OSNR（PROS OSNR）

與偏振零點法類似，偏振分辨光頻譜信噪比（PROS OSNR）方法利用被測信號（即數(shù)據(jù)承載信號）不同偏振態(tài)的特性以及疊加噪聲來測量密集波分復(fù)用（DWDM）信道中的光信噪比。同樣，與偏振零點法一樣，也需要偏振分集光頻譜分析儀（OSA）（類似于圖1所示的裝置）來進(jìn)行測量。然而，與偏振零點校正不同，后者需要將一個通道中的信號（幾乎）完全消除（例如，要達(dá)到 20 dB 的 OSNR 靈敏度且不確定度為 0.5 dB，則需要 30 dB 的消除），偏振分集 OSA 的正交分析測量信號中幾個分貝的差異就足以測量超過 20 dB 的 OSNR——而且，即使差異大于 10 dB，也能測量到更高的 OSNR 值，這在大多數(shù)情況下仍然遠(yuǎn)未達(dá)到完全消除（例如，在相同的 0.5 dB 不確定度下，只需不到 5 dB 的消除即可實現(xiàn) 20 dB 的 OSNR 靈敏度）。因此，使用 PROS OSNR 方法無需將信號零點校正（即，使兩個 OSA 通道中的一個通道中的信號基本完全消除）即可獲得優(yōu)異的 OSNR 靈敏度。

為了說明PROS OSNR 方法的效率優(yōu)勢，人們經(jīng)常會問：盡管偏振零位法和 PROS OSNR 方法都基于相同的基本原理（即信號與噪聲的差分偏振響應(yīng)），并且都使用基本相同的測量硬件，但它們在 OSNR 測量性能上為何會有如此顯著的差異？為了更好地說明這一點，我們可以做一個類比：機(jī)械杠桿可以用較小的力將重物在短距離內(nèi)移動，但代價是需要將力作用在更長的距離上。同樣，差分偏振響應(yīng)法利用了噪聲測量能力，但代價是需要在特定的波長范圍內(nèi)進(jìn)行測量。換句話說，如果滿足上述條件，原則上偏振零位法可以在不采集光譜的情況下測量單個波長處的噪聲水平。而 PROS OSNR 則需要在目標(biāo) DWDM 信道內(nèi)的至少幾個波長范圍內(nèi)進(jìn)行測量才能獲得噪聲水平。然而，在實際應(yīng)用中，DWDM 信道內(nèi)的光頻譜通常都是通過偏振零點測量的，以便根據(jù)信道內(nèi)最佳位置的噪聲水平計算 OSNR，因此，獲得光譜分辨的偏振差分響應(yīng)與偏振零點方法相比，不會帶來任何額外的實際缺點。

如上所述，偏振分辨光譜分析無需像正交光譜分析儀（OSA）那樣將檢測到的兩個信號之一完全消除，而只需幾個分貝的差異即可，這比完全消除信號要快得多。每個OSA通道中檢測到的光譜雖然信號強(qiáng)度不同，但總體噪聲貢獻(xiàn)相似，因此需要將它們彼此相減。由于兩個通道的噪聲貢獻(xiàn)相等，因此相互抵消，最終得到的光譜差值僅與偏振信號成正比（即無噪聲）。

圖2. 極化分集方法無需對任一分支進(jìn)行零陷即可分離信號

這樣，OSA 不僅可以獲取信號的貢獻(xiàn)（沒有噪聲），還可以提供直至甚至低于噪聲水平的信號形狀，這有助于提高偏振分辨光譜方法的性能。

圖3. 總信號、交叉極化信號和重構(gòu)信號

由于不需要完全消除偏振光，PROS OSNR 方法比偏振零陷方法更加穩(wěn)健，原因如下：

與假設(shè)RBW 內(nèi)信號完全極化的極化相比，它不太容易受到 PMD 引起的去極化的影響（只要部分信號是極化的，就能實現(xiàn)足夠的區(qū)分）；

它不受偏振消光比的限制，因此可以精確測量更大的OSNR，或者等效地，對于給定的 OSNR 靈敏度，測量可以更快地進(jìn)行；

實現(xiàn)幾分貝的分集比完全消除信號要快得多，尤其是在多波長傳輸（例如DWDM）的情況下。

為了充分利用PROS OSNR 方法，正確生成與偏振分辨差分光譜對應(yīng)的重構(gòu)信號至關(guān)重要，該信號應(yīng)與（承載數(shù)據(jù)的）信號成正比，但并非包含全部信號。為此，必須使用比例因子來確定信號的有效貢獻(xiàn)。獲得該比例因子的方法有很多：下面將詳細(xì)介紹一種特別穩(wěn)健的方法，該方法能夠充分利用 PROS OSNR 確定的優(yōu)勢。

采用偏振分辨光譜方法，在最窄的OSA 分辨率帶寬 (RBW) 下獲取光譜，然后使用幾個不同的數(shù)值合成的更寬的 RBW 進(jìn)行后續(xù)的信號處理分析。

假設(shè)信號頻譜和噪聲頻譜形狀不同（理想情況下，噪聲頻譜在大部分?jǐn)?shù)據(jù)承載信號帶寬內(nèi)波長保持不變），隨著分辨率帶寬（RBW）的增加，數(shù)據(jù)承載信號和噪聲的相對貢獻(xiàn)也會發(fā)生變化，并且這種變化在數(shù)據(jù)承載信號頻譜的陡峭斜率處會更加明顯。分析這種與波長相關(guān)的比值，可以確定比例關(guān)系，從而完成信號重構(gòu)。

圖4. 通過數(shù)據(jù)處理改變有效帶寬，可以控制分析中包含的功率大小。

圖4 展示了使用偏振分辨光譜信噪比 (PROS OSNR) 方法分析的信號。首先，使用兩個不同的有效分辨率帶寬 (RBW)（BW1 和 BW2）檢測通道光。這本身并不能提供相關(guān)的信號或噪聲信息，但由于信號形狀已使用偏振分辨光譜方法重建（圖 4 中的淺藍(lán)色曲線），因此可以知道對應(yīng)于較大帶寬 (BW2) 與較小帶寬 (BW1) 的信號貢獻(xiàn)差異。因此，也可以確定該帶寬內(nèi)的噪聲。此外，由于此步驟是在后處理過程中而非采集過程中進(jìn)行的，因此可以選擇并分析多個帶寬以優(yōu)化精度和重復(fù)性。

PROS OSNR 分析有助于克服該技術(shù)在偏振方面固有的實際局限性，并允許確定噪聲分布。由于其靈活性，尤其是在尋找用于重建（承載數(shù)據(jù)的）信號的比例因子方面，PROS OSNR 技術(shù)即使在噪聲的頻譜范圍比信號更窄的情況下也能提供噪聲分布信息，例如，當(dāng) 40 Gbit/s 差分相移鍵控 (DPSK) 調(diào)制信號經(jīng)過多個級聯(lián) ROADM 和放大器時，或者當(dāng)噪聲在 OSA 的兩個分支之間沒有平均分配時（例如，輕微偏振噪聲，來自 ASE 遇到的偏振相關(guān)損耗 (PDL)），PROS OSNR 技術(shù)也能提供噪聲分布信息。

方法比較

在PMD或OSNR較高的情況下，PROS OSNR的性能顯著優(yōu)于僅基于偏振的方法，尤其是僅基于偏振零點校正的方法。圖5展示了三組不同測量結(jié)果隨OSNR的變化：一組基于偏振零點校正，另外兩組使用PROS方法，但分辨率帶寬（RBW）不同。圖中所示的不確定度包括系統(tǒng)誤差（基于預(yù)先校準(zhǔn)的測試平臺）和隨機(jī)測量不確定度（標(biāo)準(zhǔn)偏差）。

圖5. 不同 OSNR 測量技術(shù)下總 OSNR 不確定度與 OSNR 的關(guān)系

正如預(yù)期的那樣，PROS 在高 OSNR 事件中依然保持著很高的精度，且測試速度更快。此外，對于這種測量方法，使用分辨率帶寬極窄但價格更高的 OSA 在測量 OSNR 方面并沒有明顯的優(yōu)勢。

下圖6 顯示了在給定 OSNR 水平 (25 dB) 下相同的三個 OSA，PMD 的存在會引入額外的隨機(jī)測量不確定性，這種不確定性在使用 PN 方法時更為顯著。（為了更好地突出這種額外的 PMD 引起的隨機(jī)不確定性，圖中未繪制由偏振零點校正方法對 PMD 引起的退偏振敏感而導(dǎo)致的較大系統(tǒng)偏差。）

圖6. 不同方法下 PMD 引起的隨機(jī)不確定性的標(biāo)準(zhǔn)偏差（強(qiáng)耦合 PMD 模擬器）

因此，除了可實現(xiàn)的消光效果有限，從而影響對高光信噪比（OSNR）的測量能力外，偏振零陷方法還會隨著偏振模色散（PMD）的增加而面臨更大的隨機(jī)不確定性。由于下一代網(wǎng)絡(luò)中使用的大多數(shù)先進(jìn)調(diào)制格式都能夠容忍更高的鏈路PMD，因此，此類網(wǎng)絡(luò)上的OSNR測量對PMD的容忍度將變得越來越重要。

結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性日益增加，這體現(xiàn)在級聯(lián)濾波（例如，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的ROADM）和（對光信噪比敏感的）多比特/符號調(diào)制格式兩個方面。例如，信道內(nèi)噪聲將越來越多地通過濾波器進(jìn)行頻譜雕刻，網(wǎng)絡(luò)的偏振模色散容差將不斷提高，信號帶寬也將經(jīng)常與有效信道寬度相當(dāng)。然而，光信噪比仍然是網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和噪聲源保持簡單時，純粹基于偏振的光信噪比測量技術(shù)（例如，偏振零點法）可以表現(xiàn)良好，但正如本文所示，基于偏振響應(yīng)調(diào)制（PROS）的光信噪比測量方法具有更高的魯棒性和性能，使其非常適合高級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和調(diào)制格式。