下一代网络中的光信噪比：偏振分辨光频谱分析可实现快速、精确的带内光信噪比测量

人们普遍认为，当应用于下一代网络时，传统的IEC推荐的光信噪比（OSNR）测量技术无法提供所需的精度。由于这些下一代网络采用可重构光分插复用器（ROADM）和/或多比特/符号高级调制格式（大多数40 Gbit/s和100 Gbit/s传输都采用这些格式），使用传统的OSNR测量方法会导致OSNR值被高估或低估。

当ROADM 首次引入网络拓扑时，一些商用光频谱分析仪 (OSA) 采用“偏振零点”方法来测量滤波后的密集波分复用 (DWDM) 信道中的光信噪比 (OSNR)。然而，由于网络复杂性，偏振零点方法在许多实际应用中已无法满足需求。本文将介绍一种方法，该方法不仅利用数据信号和噪声偏振特性的相对差异，还利用了它们各自的光谱特性。此外，我们还将回顾这两种方法并讨论它们的局限性。

极化零化

偏振零化方法基于一个通常合理的假设，即被测光信号通常具有高度偏振性，而叠加的噪声则不具有偏振性。测量装置包括一个偏振控制器、一个偏振分光器和一个双通道扫描单色仪（即OSA），如图1所示（为简单起见，图中省略了检测、信号处理和显示电子设备）。

图1. 用于偏振零化技术的 OSA 示意图

偏振零化方法涉及调整（内部）偏振控制器，以尽可能消除OSA两个检测通道之一中的信号。这种调整相当于将偏振分路器（用作偏振器）的两个输出之一与（偏振）信号正交对准。当实现这一点时，在该特定波长下到达该分支探测器的光功率仅为噪声功率的一半（因为噪声被假定为非偏振光，因此在两个分支之间平均分配）。

这样可以测量噪声水平，由于OSA还会测量总功率（噪声+信号），因此可以计算特定波长的光信噪比（OSNR）。为了使偏振零点校正能够提供可接受的测量结果，被测DWDM信道和OSA本身必须满足以下条件：

链路上的偏振模色散(PMD) 应非常小，最好接近于零。PMD 会使光频谱分析仪 (OSA) 分辨率带宽 (RBW) 内的信号部分去偏振，因此无法完全消除偏振。实际上，对 PMD 有一定的容忍度，尤其是在待测光信噪比 (OSNR) 不高（例如 <20 dB）且 OSA 的 RBW 非常窄的情况下。尽管如此，PMD 最终仍会限制可达到的最大 OSNR 值。

OSA 中的偏振光学元件，特别是偏振分束器，也必须能够提供非常高的消光比，因为最大可测量的 OSNR 直接取决于消光比；

光频谱分析仪(OSA) 中的偏振控制器必须能够快速找到密集波分复用 (DWDM) 信道中多个波长对应的最大消光比偏振态 (SOP)。然而，当光信噪比 (OSNR) 大于 20 dB 时，测量过程会非常耗时（即采集时间过长），实际上可能难以精确测量。当需要同时表征多个 DWDM 信道时，例如覆盖大部分 C 波段的 16 个或更多信道，这个问题会更加严重。

偏振分辨光谱OSNR（PROS OSNR）

与偏振零点法类似，偏振分辨光频谱信噪比（PROS OSNR）方法利用被测信号（即数据承载信号）不同偏振态的特性以及叠加噪声来测量密集波分复用（DWDM）信道中的光信噪比。同样，与偏振零点法一样，也需要偏振分集光频谱分析仪（OSA）（类似于图1所示的装置）来进行测量。然而，与偏振零点校正不同，后者需要将一个通道中的信号（几乎）完全消除（例如，要达到 20 dB 的 OSNR 灵敏度且不确定度为 0.5 dB，则需要 30 dB 的消除），偏振分集 OSA 的正交分析测量信号中几个分贝的差异就足以测量超过 20 dB 的 OSNR——而且，即使差异大于 10 dB，也能测量到更高的 OSNR 值，这在大多数情况下仍然远未达到完全消除（例如，在相同的 0.5 dB 不确定度下，只需不到 5 dB 的消除即可实现 20 dB 的 OSNR 灵敏度）。因此，使用 PROS OSNR 方法无需将信号零点校正（即，使两个 OSA 通道中的一个通道中的信号基本完全消除）即可获得优异的 OSNR 灵敏度。

为了说明PROS OSNR 方法的效率优势，人们经常会问：尽管偏振零位法和 PROS OSNR 方法都基于相同的基本原理（即信号与噪声的差分偏振响应），并且都使用基本相同的测量硬件，但它们在 OSNR 测量性能上为何会有如此显著的差异？为了更好地说明这一点，我们可以做一个类比：机械杠杆可以用较小的力将重物在短距离内移动，但代价是需要将力作用在更长的距离上。同样，差分偏振响应法利用了噪声测量能力，但代价是需要在特定的波长范围内进行测量。换句话说，如果满足上述条件，原则上偏振零位法可以在不采集光谱的情况下测量单个波长处的噪声水平。而 PROS OSNR 则需要在目标 DWDM 信道内的至少几个波长范围内进行测量才能获得噪声水平。然而，在实际应用中，DWDM 信道内的光频谱通常都是通过偏振零点测量的，以便根据信道内最佳位置的噪声水平计算 OSNR，因此，获得光谱分辨的偏振差分响应与偏振零点方法相比，不会带来任何额外的实际缺点。

如上所述，偏振分辨光谱分析无需像正交光谱分析仪（OSA）那样将检测到的两个信号之一完全消除，而只需几个分贝的差异即可，这比完全消除信号要快得多。每个OSA通道中检测到的光谱虽然信号强度不同，但总体噪声贡献相似，因此需要将它们彼此相减。由于两个通道的噪声贡献相等，因此相互抵消，最终得到的光谱差值仅与偏振信号成正比（即无噪声）。

图2. 极化分集方法无需对任一分支进行零陷即可分离信号

这样，OSA 不仅可以获取信号的贡献（没有噪声），还可以提供直至甚至低于噪声水平的信号形状，这有助于提高偏振分辨光谱方法的性能。

图3. 总信号、交叉极化信号和重构信号

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稳健，原因如下：

与假设RBW 内信号完全极化的极化相比，它不太容易受到 PMD 引起的去极化的影响（只要部分信号是极化的，就能实现足够的区分）；

它不受偏振消光比的限制，因此可以精确测量更大的OSNR，或者等效地，对于给定的 OSNR 灵敏度，测量可以更快地进行；

实现几分贝的分集比完全消除信号要快得多，尤其是在多波长传输（例如DWDM）的情况下。

为了充分利用PROS OSNR 方法，正确生成与偏振分辨差分光谱对应的重构信号至关重要，该信号应与（承载数据的）信号成正比，但并非包含全部信号。为此，必须使用比例因子来确定信号的有效贡献。获得该比例因子的方法有很多：下面将详细介绍一种特别稳健的方法，该方法能够充分利用 PROS OSNR 确定的优势。

采用偏振分辨光谱方法，在最窄的OSA 分辨率带宽 (RBW) 下获取光谱，然后使用几个不同的数值合成的更宽的 RBW 进行后续的信号处理分析。

假设信号频谱和噪声频谱形状不同（理想情况下，噪声频谱在大部分数据承载信号带宽内波长保持不变），随着分辨率带宽（RBW）的增加，数据承载信号和噪声的相对贡献也会发生变化，并且这种变化在数据承载信号频谱的陡峭斜率处会更加明显。分析这种与波长相关的比值，可以确定比例关系，从而完成信号重构。

图4. 通过数据处理改变有效带宽，可以控制分析中包含的功率大小。

图4 展示了使用偏振分辨光谱信噪比 (PROS OSNR) 方法分析的信号。首先，使用两个不同的有效分辨率带宽 (RBW)（BW1 和 BW2）检测通道光。这本身并不能提供相关的信号或噪声信息，但由于信号形状已使用偏振分辨光谱方法重建（图 4 中的浅蓝色曲线），因此可以知道对应于较大带宽 (BW2) 与较小带宽 (BW1) 的信号贡献差异。因此，也可以确定该带宽内的噪声。此外，由于此步骤是在后处理过程中而非采集过程中进行的，因此可以选择并分析多个带宽以优化精度和重复性。

PROS OSNR 分析有助于克服该技术在偏振方面固有的实际局限性，并允许确定噪声分布。由于其灵活性，尤其是在寻找用于重建（承载数据的）信号的比例因子方面，PROS OSNR 技术即使在噪声的频谱范围比信号更窄的情况下也能提供噪声分布信息，例如，当 40 Gbit/s 差分相移键控 (DPSK) 调制信号经过多个级联 ROADM 和放大器时，或者当噪声在 OSA 的两个分支之间没有平均分配时（例如，轻微偏振噪声，来自 ASE 遇到的偏振相关损耗 (PDL)），PROS OSNR 技术也能提供噪声分布信息。

方法比较

在PMD或OSNR较高的情况下，PROS OSNR的性能显著优于仅基于偏振的方法，尤其是仅基于偏振零点校正的方法。图5展示了三组不同测量结果随OSNR的变化：一组基于偏振零点校正，另外两组使用PROS方法，但分辨率带宽（RBW）不同。图中所示的不确定度包括系统误差（基于预先校准的测试平台）和随机测量不确定度（标准偏差）。

图5. 不同 OSNR 测量技术下总 OSNR 不确定度与 OSNR 的关系

正如预期的那样，PROS 在高 OSNR 事件中依然保持着很高的精度，且测试速度更快。此外，对于这种测量方法，使用分辨率带宽极窄但价格更高的 OSA 在测量 OSNR 方面并没有明显的优势。

下图6 显示了在给定 OSNR 水平 (25 dB) 下相同的三个 OSA，PMD 的存在会引入额外的随机测量不确定性，这种不确定性在使用 PN 方法时更为显著。（为了更好地突出这种额外的 PMD 引起的随机不确定性，图中未绘制由偏振零点校正方法对 PMD 引起的退偏振敏感而导致的较大系统偏差。）

图6. 不同方法下 PMD 引起的随机不确定性的标准偏差（强耦合 PMD 模拟器）

因此，除了可实现的消光效果有限，从而影响对高光信噪比（OSNR）的测量能力外，偏振零陷方法还会随着偏振模色散（PMD）的增加而面临更大的随机不确定性。由于下一代网络中使用的大多数先进调制格式都能够容忍更高的链路PMD，因此，此类网络上的OSNR测量对PMD的容忍度将变得越来越重要。

结论

网络的复杂性日益增加，这体现在级联滤波（例如，网状网络中的ROADM）和（对光信噪比敏感的）多比特/符号调制格式两个方面。例如，信道内噪声将越来越多地通过滤波器进行频谱雕刻，网络的偏振模色散容差将不断提高，信号带宽也将经常与有效信道宽度相当。然而，光信噪比仍然是网络性能的关键参数。当网络和噪声源保持简单时，纯粹基于偏振的光信噪比测量技术（例如，偏振零点法）可以表现良好，但正如本文所示，基于偏振响应调制（PROS）的光信噪比测量方法具有更高的鲁棒性和性能，使其非常适合高级网络架构和调制格式。