OPM介绍及在40G光网络的应用

      1 OPM简介

      早在2000年，随着光通信行业的兴起，OPM作为一个在线监测通道光功率、中心波长及光信噪比（OSNR）等指标的功能模块已经引起人们的关注，也有相应的产品面世，但一直未能在实际系统中大规模的使用。直到2008年，随着ROADM的技术成熟，智能光网络的发展和3G网络的推广，OPM才逐渐由一个可选配件成为光网络构建中不可或缺的一部分，在实际光网络中大量使用。

      图1 OPM的应用节点示意图

      作为一个类似光谱仪的小型光谱监测模块，实现的技术手段种类繁多，但能够在市场上推广应用的主要有两种：一种是基于衍射型的结构，主要由体光栅和阵列探测器组成，其生产厂商有Accelink（武汉光迅科技股份有限公司）、Bayspec等；另一种是干涉型的结构，主要基于TOF（Tunable optical filter）技术，其生产厂商有Axsun、Optoplex等。两种设计方案在满足基本的光学指标要求时，各有各的优点：基于衍射型的OPM没有活动部件，能够对设定的波长范围内不同波长的光信号进行同时采样，其突出优点是寿命长、稳定性好、能够快速测量；而基于TOF技术的OPM则能在体积和成本上占据一定的优势。

      表1是OPM的光学性能指标（以Accelink的产品为例）。

      表1 OPM的主要性能参数

      2 40G网络的应用

      光网络的发展基于传输容量需求不断增长，在传统的光纤线路上来解决这个矛盾的主要手段有两种：1、提高传输速率；2、增加传输的数量。40Gbps的传输技术已经成熟并得到广泛的应用，40Gbps的光网络对很多传统的光无源器件提出了较高的色散（CD）和偏振模相关度（PMD）的要求，而对OPM而言，其主要的改变在于两点：1、不同种类的码型带来信号识别的困难；2、高速率下各种码型的展宽带来的信号计算方法的改变。

      在10Gbps网络中，主要的调整手段为幅度调制，主要的传输码型为NRZ（非归零码），RZ（归零码）；而在40Gbps网络中，由于传输速率的提高，相位调制成为了主要的手段。下表列举了部分传输码型的调制方式及光谱特征，其中包含：NRZ（非归零码），RZ-50%(占空比50%的归零码)，PSBT(相位整形二进制传输)，NRZ-DPSK(非归零-差分相移键控)，RZ-50% DPSK(占空比50%的归零码-差分正交相移键控)，NRZ-DQPSK(非归零-差分正交相移键控)，RZ-50% DQPSK(占空比 50% 归零码－差分正交相移键控)，DP-DQPSK(双偏振差分正交相移键控)。

      表2 各种编码的幅度、相位和光谱

      目前实际40G系统使用较多的编码为NRZ-DPSK和NRZ-DQPSK，而随着光网络的发展，传输速率会进一步提高，调制解调的方式也会不断更新。100G将是未来传输网络的发展趋势。

      3 OPM在40G中的应用特点

      光网络的发展除了速率不断提升之外，其智能化程度也在不断提升。而智能化的管理就需要对网络的状态和信号进行实时的检测，从而进行动态的控制。对OPM而言，为光网络提供可靠、准确和实时的信息，成为光网络管理的重要环节，其作用不可小视。在40G的光传输网络中，我们首先对几种仪表及不同传输码型及速率下的测试能力进行对比，说明OPM在网络应用中的特点。

      图2 测试框图

      表3说明OPM的测试能力和光谱仪一致，而光功率计则只能测试光功率一项。值得一提的是，对OSNR的测试，目前OPM和OSA都是基于外插法进行测试，而对于40G传输下的光信号，由于光谱的展宽往往超出了DWDM的噪声测试点，所以无法得到准确的OSNR值，其结果仅能作为参考。

      表3 OPM、光谱仪和光功率计的对比结果

      OPM作为一个在线模块，相对于光谱仪和光功率计而言其最大的优势还是体现在其低廉的价格和高度的集成性。越来越复杂的网络拓扑结构和越来越快的传输速度，使得OPM承担的作用和重要性也越来越大。针对40Gbps信号的特点，OPM主要面临以下几个技术难点和需要改进的地方：

      3.1 寻峰

      无论在任何系统中，首先关注的问题是OPM能否正确监测出信号光。实际使用环境中，往往是10G信号与40G信号混传的方式，不同的信号光在经过掺铒光纤放大器（EDFA）、光上下话路（OAMD）等等器件之后，整个光谱以及信号光的谱型将发生很大变化，特别是40G信号自身的展宽影响，这些都要求寻峰算法提出新的要求。寻峰错误主要体现为两种：

      1、误检

      误检，即将实际不存在的光信号上报。在实际测试中，产生误检的原因主要有：1）噪声过大，被误判为信号；2）信号光的边模等现象被误判为信号。对于10G系统由于10G信号本身光谱特性与噪声背景及毛刺有很大差异，比较容易区分，而对于40G系统，由于光谱展宽，使得光信号与噪声在各种器件后产生的谱形相当接近，因而容易产生误检。

      2、漏波

      所谓漏检，即没有上报出实际存在的光信号。在实际测试中，产生漏检的原因主要有：1）信号过低，低于OPM所设置的光功率阈值；2）信号间隔过窄，超出了OPM所设置的信道间隔阈值。对于40G信号，由于信号光谱展宽，其信号峰值与信号功率有很大差异，使得基于峰值光功率的判决方式往往导致漏检。同时，由于光谱展宽，使得信号峰值位置定位出现偏差，信道间隔计算误差较大，一旦计算结果偏小也可能导致漏检。

      由此可以看出，对40G信号，信号的自身展宽及信号对其他通道的串扰加剧是导致寻峰判决更加困难。通过对各种40G信号的光谱特征及40G网络应用的特点，建立完善和准确的判决条件是保障OPM正确寻峰的基本条件。

      3.2不同码型及速率的识别

      全光网络的构架和智能网络的概念普及，最终需要实现的是不同厂家、不同规格的光网络对接，实现光信号的透明传输。这就为OPM提出了一个新的课题：识别不同码型及速率。

      由表2可以看到，不同的码型和速率组合得到的光谱形状不同，这就为OPM提供了识别不同速率和码型的理论依据。

      图3为Accelink的OPM产品的测试光谱，其中比较了OSA和OPM实测40G NRZ和40G NRZ-DPSK的光谱对比。从图中可以看出，除了动态范围的差异，OSA和OPM都能很好的反应出40G信号下两种码型的谱宽，从而说明通过对各种码型的光谱特征的细致研究，OPM识别码型的功能是可以实现的。

      图3 OSA和OPM测试的40G NRZ和NRZ-DPSK的光谱对比

      3.3中心波长的计算

      对40G信号的中心波长计算，如果采用原有针对10G信号的中心波长算法，则可能导致波长探测精度超标，这主要是40G传输速率下，信号光谱展宽造成的。OPM自身带宽及采集点数量的限制，导致在光谱展宽的情况下，峰值附近的采样点的大小差异进一步减小，计算中心波长的条件减弱，从而最终影响其中心波长的精度。

      针对各种不同编码的40G信号的差异，研究不同的中心波长计算方法，是提高40G系统下中心波长计算准确的必要手段。

      3.4光功率的计算；

      信号光功率的计算是40G系统对OPM要求最为严格的指标之一，也是实现智能管理的关键指标之一。OPM的信号光功率的计算准确度主要取决于数据的稳定性及功率积分带宽的选择。相对于10G信号的光功率计算的方法，OPM在计算40G信号光功率时，其主要的差别在于参数的配置及功率校准的方式。

      另一方面，40G信号间的串扰问题也是影响计算功率准确度的重要因素。在很多实际的50GHz通道间隔系统中，相邻信道40G信号间的串扰是非常严重的。对于10G和40G混传的系统，40G信号对10G的影响也是较明显。因此，对于40G信号的光功率计算，需要重点解决的一个问题就是码型的识别，从而进行差异化的参数配置和处理方式。

      3.5OSNR的计算

      对于OSNR的计算，传统的方法是外插法，即在信号光带宽以外寻找噪声点，从而估算信号的噪声水平。对于OPM而言，信号经过分光系统后会发生展宽，在采用外插法之前，需经过去卷积的运算，来对信号进行还原。这种计算方法基本能够满足目前实际10G传输系统的应用方式，可以较为准确的计算出信号的OSNR。

      对于40G信号而言，由于光谱展宽往往超过了DWDM的噪声测试点，原有的噪声测试点上同时有信号的存在，外插法已不再适用，在这种情况下可采用带内测试的方案。带内法即噪声点的选取在信号带宽范围之内，一般采用信号光和噪声光不同的偏振特性来进行信号光与噪声光的分离，从而准确的得出OSNR，这将是OPM发展的一个重要技术方向。

      实际40G传输系统，由于多采用相位调制的码型，而这种码型在接受端对信号OSNR要求远低于10G调幅的解调方式，所以OSNR在40G光网络中往往作为一个参考的指标出现，不再成为评估系统性能最重要的参数之一，对OPM测试OSNR的范围和精度也有适度的放松。

      4 OPM在40G中的应用现状

      目前，光网络系统设计厂家明确提出了40G OPM的规格需求，OPM供应厂家也能够在一些常用的码型下满足客户的需求。以Accelink的OPM产品为例，该产品在满足40G网络的同时，兼容10G信号的识别，支持多种码型混传的识别、计算功能，其中包含DPSK，DQPSK等。特别值得一提的是，OPM支持50GHz间隔下40Gbps信号的网络识别功能，最大可同时识别96个信道，扫描速度小于200ms。

      虽然OPM在40G光网络中有所突破，但全面智能的实现40G环境应用，还需要进一步提升OPM自身的性能指标，并加强应用环境的研究，才能最终满足系统的需求。

      OPM需求重点研究的问题如下：

      1、40G光传输网络的各种码型特征；

      2、40G光传输网络的特点，特别是各种信号混传下的光谱特性分析；

      3、40G光传输网络下对50GHz间隔的信号处理方式；

      4、带内法测试OSNR的技术；

      5、低成本的解决方案。

      总的来说，无论从技术手段还是应用需求，OPM能够适应40G光传输网络的发展也必须满足40G光传输网络的需求。目前的OPM在40G光传输网络的应用才刚刚起步，需要研究和改进的地方还很多。

      5 结束语

      随着40G光网络的应用，OPM面临了诸多新的问题，如带内OSNR测试方法、复杂构建下信号的识别、越来越小的通道间隔、多码型的识别等等，但最大的问题还是OPM的成本问题。随着光网络不断发展，网络速率的提高及智能化的程度不断提升，系统对OPM模块的需求越来越大，提出的要求也越来越高，OPM模块只有不断改进和完善，适应新的需求，才能进一步为光网络的安全和稳定提供保证。