OPM：从可选配件到光网络构建不可或缺的一部分

OPM：从可选配件到光网络构建不可或缺的一部分

1 OPM 简介

早在2000年，随着光通信行业的兴起，OPM作为在线监测通道光功率、中心波长及光信噪比（OSNR）等指标的功能模块就引起了人们的关注，并陆续推出了相应的产品，但一直未在实际系统中得到大规模应用。直到2008年，随着ROADM技术的成熟、智能光网络的发展以及3G网络的推广，OPM才从一个可选配件逐渐成为光网络建设中不可缺少的一部分，并在实际光网络中得到广泛应用。

图1 OPM应用节点示意图

作为类似于光谱仪的小型光谱监测模块，实现的技术手段有很多，但目前能够在市场上推广应用的主要是两种：一种是基于衍射型结构，主要由体光栅和阵列探测器组成，其厂家包括（武汉光电技术有限公司）等；另一种是干涉型结构，主要基于TOF（）技术，其厂家包括Axsun等。两种设计方案在满足基本的光学指标要求时各有千秋：基于衍射的OPM没有运动部件，可以在设定的波长范围内同时采样不同波长的光信号，其突出优点是寿命长、稳定性好、测量迅速；而基于TOF技术的OPM在体积和成本上可以占据一定的优势。

表1为OPM的光学性能指标（以产品为例）。

表1 OPM主要性能参数

2 40G网络的应用

光网络的发展是基于对传输容量日益增长的需求，在传统光纤线路上解决这一矛盾主要有两种方式：1、提高传输速率；2、增加传输次数。传输技术已经成熟，并得到广泛应用，光网络对很多传统光无源器件的色散（CD）和偏振模相关性（PMD）提出了更高的要求。对于OPM来说，主要的变化在两点：1、不同类型的码型给信号识别带来困难；2、高速率下各类码型的拓宽带来信号计算方式的变化。

在网络中，主要的调整手段是幅度调制，主要的传输码型有NRZ(不归零码)和RZ(归零码)；在网络中，由于传输速率的提高，相位调制已经成为主要手段。下表列出了部分传输码型的调制方式和频谱特性，包括：NRZ（不归零码）、RZ-50%（占空比为50%的归零码）、PSBT（相位整形二进制传输）、NRZ-DPSK（不归零-差分相移键控）、RZ-50% DPSK（占空比为50%的归零码-差分正交相移键控）、NRZ-DQPSK（不归零-差分正交相移键控）、RZ-50% DQPSK（占空比为50%的归零码-差分正交相移键控）、DP-DQPSK（双偏振差分正交相移键控）。

表2 各种码的幅度、相位和频谱

目前实际40G系统采用的编码方式为NRZ-DPSK、NRZ-DQPSK，随着光网络的发展，传输速率将进一步提高，调制解调方式也将不断更新，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外，智能化程度也越来越高。智能化管理需要实时检测网络状态和信号进行动态控制。对于OPM来说，为光网络提供可靠、准确、实时的信息已经成为光网络管理的重要组成部分，其作用不可低估。在40G光传输网络中，我们首先对比几款仪器的测试能力以及不同的传输码型和速率，以说明OPM在网络应用中的特点。

图2 测试框图

从表3可以看出OPM的测试能力与光谱仪一致，而光功率计只能测试光功率。值得一提的是，对于OSNR测试，目前OPM和OSA都是基于外推法进行测试。对于40G传输下的光信号，由于光谱展宽往往会超过DWDM的噪声测试点，因此无法获得准确的OSNR值，结果只能作为参考。

表3 OPM、光谱仪、光功率计对比结果

作为在线模块，OPM相较于光谱仪、光功率计最大的优势就是价格低廉、集成度高。随着网络拓扑越来越复杂、传输速度越来越快，OPM的作用和重要性也越来越重要。针对信号的特点，OPM主要面临以下技术难点和需要改进的地方：

3.1 峰值搜索

无论哪种系统，首先要关注的就是OPM能否正确检测出信号光。实际使用环境中，10G信号和40G信号经常混在一起，不同的信号光经过掺铒光纤放大器（EDFA）、光分插通道（OAMD）等器件后，整个频谱和信号光的频谱会发生很大的变化，特别是40G信号本身的展宽效应，这些都对寻峰算法提出了新的要求。寻峰误差主要表现在两个方面：

1. 错误检测

误检就是上报一个实际上并不存在的光信号。实际测试中，误检的主要原因有：1）噪声过大被误判为信号；2）信号光的边模被误判为信号。对于10G系统，由于10G信号本身的频谱特性与噪声背景、毛刺等差别很大，比较容易区分。但对于40G系统，由于频谱展宽，经过各种器件后光信号和噪声的谱形相当相似，误检的可能性较大。

2. 漏波

漏检就是没有上报实际的光信号。实际测试中，漏检的主要原因有：1）信号太低，低于OPM设定的光功率门限；2）信号间隔太窄，超过OPM设定的通道间隔门限。对于40G信号，由于信号频谱展宽，信号峰值与信号功率相差较大，因此基于峰值光功率的判断方法往往会导致漏检。同时，由于频谱展宽，信号峰值位置的定位出现偏差，通道间隔计算误差较大，一旦计算结果过小，也可能导致漏检。

可以看出，对于40G信号来说，信号本身的展宽以及信号对其他通道的串扰加剧，使得找峰变得更加困难。综合考虑各类40G信号的频谱特性以及40G网络应用的特点，建立完善、准确的判定条件是保证OPM正确找峰的基本条件。

3.2 不同码型及码率的识别

全光网络架构和智能网络概念的普及，最终要求不同厂家、不同规格的光网络能够互联互通，实现光信号的透明传输，这就给OPM提出了新的挑战：识别不同的码型和速率。

从表2可以看出，不同的码型和速率的组合，其谱形不同，这为OPM识别不同速率和码型提供了理论基础。

图3为OPM产品的测试频谱，对比了OSA与OPM测得的40G NRZ与40G NRZ-DPSK的频谱对比。从图中可以看出，除了动态范围有差异外，OSA与OPM都能很好的反映出40G信号下两种码型的频谱宽度，说明通过认真研究各类码型的频谱特性，可以实现OPM识别码型的功能。

图3 OSA和OPM测试的40G NRZ和NRZ-DPSK的频谱比较

3.3 中心波长的计算

如果使用原有针对10G信号的中心波长算法来计算40G信号的中心波长，波长检测精度可能会超标。这主要是因为40G传输速率下信号频谱展宽所致，而OPM自身的带宽和采集点数有限，导致在频谱展宽的情况下，峰值附近的采样点尺寸差异进一步减小，计算中心波长的条件被削弱，最终影响其中心波长的精度。

鉴于各种编码的40G信号的差异，研究不同的中心波长计算方法是提高40G系统中中心波长计算精度的必要手段。

3.4 光功率计算；

信号光功率计算是40G系统中OPM最严格的指标之一，也是实现智能化管理的关键指标之一。OPM信号光功率计算精度主要取决于数据的稳定性和功率积分带宽的选择。与10G信号光功率计算方法相比，OPM计算40G信号光功率的主要区别在于参数的配置和功率校准的方式。

另一方面，40G信号间的串扰也是影响功率计算精度的重要因素，在实际很多50GHz通道间隔系统中，相邻通道40G信号间的串扰非常严重。对于10G与40G混合传输的系统，40G信号对10G的影响也很明显。因此，对于40G信号的光功率计算，需要解决的关键问题之一就是码型的识别，从而进行差异化的参数配置和处理方式。

3.5 OSNR的计算

传统的计算OSNR的方法是外推法，即在信号光带宽之外寻找噪声点来估算信号的噪声水平。对于OPM来说，信号经过分光系统后会被展宽，在使用外推法之前需要通过反卷积对信号进行还原。这种计算方法基本可以满足目前实际10G传输系统的应用，可以比较准确的计算出信号的OSNR。

对于40G信号，由于频谱展宽往往会超过DWDM的噪声测试点，原来的噪声测试点也有信号，外推法已经不再适用。这种情况下可以采用带内测试方案。带内法就是在信号带宽范围内选取噪声点，一般利用信号光和噪声光不同的偏振特性，将信号光和噪声光分开，从而准确得到OSNR。这将是OPM发展的一个重要技术方向。

在实际的40G传输系统中，往往采用相位调制，这种码型对接收端的信号OSNR要求比10G幅度调制解调方式低很多，因此在40G光网络中OSNR常常作为参考指标，而不再是评价系统性能最重要的参数之一，对OPM测试OSNR的范围和精度也有了适度的放宽。

4 OPM在40G中的应用现状

目前，光网络系统设计厂商已明确提出40G OPM的规范要求，OPM供应商也能在一些常用码型下满足客户需求。以OPM产品为例，产品在满足40G网络要求的同时，兼容10G信号的识别，支持多种码型混传的识别和计算功能，包括DPSK、DQPSK等。特别值得一提的是，OPM支持50GHz间隔信号的网络识别功能，最多可同时识别96个通道，扫描速度小于200ms。

虽然OPM在40G光网络方面取得了一定的突破，但是40G环境应用的全面智能化实施，还需要进一步完善OPM自身的性能指标，加强对应用环境的研究，最终满足系统要求。

OPM需求的重点研究问题如下：

1、40G光传输网各类编码特性；

2、40G光传输网特性，特别是多种信号混合传输下的光谱特性分析；

3、40G光传输网络中50GHz间隔的信号处理方法；

4、带内OSNR测试技术；

5.低成本解决方案。

总体来说，无论从技术手段还是应用需求来看，OPM都是能够适应40G光传输网络发展的，必须满足40G光传输网络的要求。目前OPM在40G光传输网络中的应用才刚刚起步，还有很大的研究和改进空间。

5 结论

随着40G光网络的应用，OPM面临很多新的问题，如带内OSNR测试方法、复杂组网下的信号识别、越来越小的通道间隔、多码识别等，但最大的问题还是OPM的成本问题。随着光网络的不断发展，网络速率的提高和智能化程度的提高，系统对OPM模块的需求量越来越大，要求也越来越高。只有不断改进和完善OPM模块，适应新的需求，才能进一步为光网络的安全性和稳定性提供保障。