光信噪比（OSNR）是光網絡的關鍵性能參數之一。光性能監控模塊（OPM）提供低成本的OSNR在線監測功能，在網絡建設和維護中起到越來越重要的作用。傳統的OSNR測試方法，即帶外測試方法，遵循IEC 61280-2-9標準，該方法通過測量信道間噪聲等效為信道內噪聲從而計算出OSNR，目前大多數廠商的OPM均以此法作為標準的測試方法。
隨著網絡帶寬的發展，40Gbit/s波分系統已經開始被廣泛的部署。由于40G速率信號光譜較寬，當信道間隔為50GHz或者更小時，相鄰信號光譜發生重疊串擾，傳統的OSNR測試方法無法得到真實的噪聲水平。另外，對于ROADM系統，信道間的噪聲水平會因為濾波效應而減小，導致傳統測試方法得到的噪聲水平偏低。這些問題的出現使OSNR測試面臨新的技術挑戰。
帶外測試方法的失效，使帶內OSNR測量成為解決上述問題的根本途徑。目前的帶內測試技術主要是基于偏振技術的方法，該方法根據信號光基本是偏振光而噪聲光基本是非偏振光的特征，通過光學和算法手段將信號光和噪聲光分離，從而實現OSNR測量。經過將近十年的發展，各種基于偏振技術的帶內測試方案取得了很大進展，也有儀表廠商已經推出了具備帶內OSNR測試功能的新一代光譜分析儀。與儀表不同的是，OPM模塊對成本、尺寸等要求比較高，目前還沒有廠家推出具備帶內OSNR測試功能的OPM模塊。本文提出一種方案，將偏振技術應用于OPM模塊實現帶內OSNR測量，并通過測試數據證明該方案的可行性。
2. 原理與結構
如圖1所示，虛線方框內給出了具備帶內OSNR測試功能的OPM模塊的基本結構，其中包括偏振控制器，起偏分束器，一個1*2光開關，光譜獲取單元和數據處理（OSNR計算）單元。信號噪聲混合光首先經過偏振控制器，偏振控制器的作用是改變入射光的偏振態，本文采用TN型液晶片的旋光特性通過電壓控制實現。 從偏振控制單元出射的光再經起偏分束器分為兩部分光，調節偏振控制器使兩部分光的功率一大一小，用光譜獲取單元分別測量得到兩部分光的光譜。光譜獲取單元主要包括濾波器和探測器，本文采用了兩種結構實現，一種是衍射光柵和陣列探測器的結構，另一種是MEMS可調諧濾波器和單通道探測器的結構。
測量得到的光譜功率數據按照兩部分光功率的大小分別記為P>i，P<i（>表示功率較大的那一部分光，i標記波長點）。由光譜數據在信道內積分可以得到積分功率P>int，P<int，包含噪聲的信道光功率為
（1）
P>int，P<int均由信號和噪聲兩部分組成，即
（2）
其中， S為信號光功率，較大那一部分光包含的信號光功率表示為kS（0.5<=k<=1）。參數表示偏振分束器對特定波長信號光分光的比例，其值取決于信號光的偏振態，調節偏振控制器可以改變k值大小。N為噪聲光功率，由于噪聲光是非偏振光，兩部分光中包含的噪聲光功率近似相等。
根據（2）式，信號功率可以表示為
（3）
當信道噪聲功率為0時，
。在信道光譜功率的極大點i=max，噪聲光功率在光譜功率中所占比例最小，由此得到的初始估計值（零級近似值）
（4）
在初始估計的k值下，max點的噪聲功率為0，即N0MAX = 0。 在max點的附近（帶內波段）選取左右兩點i=L，i=R，由可以計算得到L，R點的噪聲值的零級近似
（4）
其中
，
。 根據L,R點的噪聲零級近似值可以插值得到max點的噪聲一級近似值：
（5）
其中a為插值參數，本文采用線性插值計算。同上，根據max點的噪聲一級近似又可以計算噪聲二級近似。采用迭代算法計算帶內噪聲，第j（j>=0）次迭代計算公式為：
（6）
與每一次迭代計算得到的噪聲值相應的OSNR值為：
（7）
其中CBWs，CBWn分別為信號和噪聲的積分帶寬，為光譜采樣步長。若忽略積分功率中的噪聲功率，則（7）簡化為：
（8）
圖1. 帶內OSNR模擬測試系統
3. 測試結果及分析
本文采用可調諧激光器和ASE光源模擬的信號噪聲混合光對上述方案進行全面測試。如圖1所示，通過可調光衰減器可以改變OSNR的大小，并使用傳統的光譜分析儀測試真實的OSNR值。這里的模擬信號的噪聲是平坦分布的，因此用光譜分析儀采用帶外法可以測得準確的OSNR，可以作為OPM帶內法測試結果的校準值。光譜獲取單元采用了兩種結構：(a)衍射光柵和InGaAs陣列探測器結構; (b) MEMS可調諧濾波器和單通道PIN二極管結構。(a)結構的優點是沒有移動部件，穩定性好，采樣速度快；缺點是探測器較昂貴，成本較高，采樣步長受限于探測器像元數量。(b)結構的優點是光路簡單，成本低廉，采樣步長可變；缺點是穩定性和重復性較差，采樣速度較慢。
經偏振分束器之后測得的光譜如圖2所示，圖中測試波長為1550.12nm，P>i，P<i分別表示功率較大部分和功率較小部分光譜。(a)圖中偏振分光比k=0.83，光源信噪比約25dB，(b)圖中偏振分光比k=0.82，光源信噪比約15dB。
根據圖2所示光譜數據計算帶內OSNR時，(a),(b)結構均取L,R點為離中心波長偏移約0.1nm處計算，噪聲積分帶寬為0.1nm。算法迭代過程如圖3所示,(a)結構迭代次數約5次以后達到收斂值(迭代值變化小于0.01dB)；(b)結構迭代次數約10次以后達到收斂值。從圖中可以看到，在OSNR為15~25dB范圍，兩種結構的OSNR誤差均在+/-0.5dB以內。
圖2. 經過偏振分束器之后所測得的光譜
圖3. 帶內法測試OSNR誤差與計算迭代次數的關系
通過偏振控制器可以改變偏振分光比k, 不同的k值下，OSNR測試能力不同。圖4給出在OSNR約25dB時，OSNR誤差與k值的關系。從圖中可以很明顯的看出，對于兩種結構，總體趨勢均是k值越大，OSNR誤差越小。在k大于約0.8時，OSNR誤差均在0.5dB以內，在k值為0.5~0.8范圍內，(b)結構的整體誤差要小于(a)結構。
圖4. OSNR誤差與k值的關系
根據以上測試，滿足k值足夠大和迭代次數足夠多是算法上的必備條件，在這個基礎上，我們可以對該方案的OSNR測量能力做全面的測試。如圖5所示，對兩種光譜獲取結構，在k>0.8范圍內分別選取三種k值進行測試。整體規律是OSNR越大，測試誤差越大。具體的，OSNR=15~25dB范圍， OSNR誤差均在0.5dB范圍以內；OSNR=25-30dB范圍內，(a)結構的最大誤差約2.5dB，(b)結構的最大誤差約1.5dB；OSNR=30-35dB范圍，(a)結構最大誤差在10dB以上（在圖示范圍外），(b)結構最大誤差約4dB。根據這個測試結果，完全能夠滿足目前的OPM指標需求。
圖5. OSNR誤差與待測OSNR大小的關系
4. 結束語
設計實現了一種基于偏振技術的具備帶內OSNR測試功能的光性能監控模塊，在傳統的OPM模塊的基礎上，加入偏振控制，偏振分束以及光開關技術，并通過算法分析得到帶內OSNR。根據模擬信號測試，在25dB以內，OSNR精度可以達到0.5dB以內，滿足目前OPM 模塊的技術指標。與傳統的帶外法不同的是，該方案不需要從信道間取噪聲，只需要取信道中心波長附近0.1nm范圍以內的光譜即可計算出OSNR，因此可以用于光譜展寬較大的40G或者更高速率的DWDM光網絡監控，也可以避免ROADM系統的濾波效應導致的帶外噪聲失真的問題。模塊結構緊湊，無移動部件，在傳統OPM的基礎上增加的成本不高，具備一定的商用價值。