波分复用系统中的在线光谱监测（OSA）

恋々风

在这个电信网日益庞大而复杂的时代，网络的运行、维护、管理（OAM）费用已经超过了信息网本身的投资。事实表明，采用先进的网管系统是降低运营成本的主要出路之一，它可以使OAM过程实现标准化、简单化、实用化和自动化。设想一下，如果网络管理者能够从统一网管系统上实时在线监视DWDM系统中任何站点的每一路光信号的光功率、光波长以及光信噪比等重要参数，将会为用户的维护工作带来极大的方便。通常，提供这一功能的部件叫做光谱分析器（OSA）。然而，由于在DWDM系统中，各通道波长之间的间隔很窄，光信号的稳定度要求很高，要达到在线实时监测光谱，为系统的维护管理提供合理的依据是相当困难的，它需要测试部件具有很高的分辨率，涉及到多方面的专业常识。

一、光谱分析部件构成及原理概述
    1．光谱分析部件在系统中的位置
    光谱分析器（OSA）在系统中可以被放在传输终端单元（OTM）、线路放大单元（OLA）、分插复用单元（OADM）等接点位置。系统管理者可以通过网管，得到各个波长通道实时的光谱参数，包括各通道功率、光性噪比（OSNR）以及中心波长。
    2．OSA的功能框图
    光谱分析器（OSA）的功能如图1所示，被测的DWDM光信号经色散系统分光后分离成为各自独立的许多波长的信号，每一个波长的信号对应inGaAs光电二极管检测阵列中的一个二极管。每个二极管都把各自波长的光功率转化成为电信号，这些电信号再经A/D变换器变换成为数字信号送入DSP处理器中进行处理。DSP通过高斯内插算法估计出信号的功率谱，计算出系统中各通道功率、光性噪比（OSNR）以及中心波长并上报网管系统。

二、关于光信号能量的检测
    1．色散系统
    光谱分析器的核心部分是色散系统。光谱分析器的工作光谱范围、分辨率、集光本领首先决定于色散系统的类型和性能，目前广泛采用的色散系统主要有两种：棱镜式色散系统和光栅式色散系统。
    2．棱镜式色散系统原理
    棱镜式色散系统采用主截面为三角形的三棱镜为色散元件，图2所示为光谱棱镜主截面的光路，它是一个顶角为α的等腰三角形棱镜。在主截面上的光线入射到棱镜上面，折射后仍在主截面上。若波长为λ的一束平行光以i1的入射角入射到棱镜的第一面上，光线在穿过它后发生折射。i1′，i2分别为光线在第一面的折射角和第二面上的入射角，i2′为第二面的折射角。光线入射方向和出射方向的夹角θ为偏向角。
    折射定律为：
    如果棱镜被置于空气中，周围介质的折射率n0≈1，则公式1变为：
    由图2可得：
    将折射角与入射角之间的关系带入上式得：
    由公式5可见，对于α角已定的光谱棱镜，偏向角θ是折射率n的函数。因为n是波长λ的函数，所以θ随波长的不同而不同。一束包含各种波长的复合辐射以i1角入射到光谱棱镜面上，通过棱镜折射后，各波长对应的偏向角θ不同，即在空间上被分解开来。对于所有的透明材料，折射率一般随波长的减小而增大，即波长越短，偏向角θ越大。
    当i1=i2′时，偏向角取得最小值，在光谱棱镜的设计中，应尽量使测量波长范围内的中间波长处于最小偏向角的位置，这样做具有光谱棱镜的像差最小、分辨率最高、横向放大率最小、棱镜的尺寸最小等优点。光谱棱镜有以下几种类型：简单等腰三棱镜、李特洛棱镜、科纽棱镜、阿米西直视棱镜、阿贝恒偏向棱镜、瓦茨沃斯棱镜等，应根据实际情况选用适当的棱镜。
    3．光栅式色散系统原理
    由于光栅刻化技术和复制技术的发展，光栅作为分光元件的应用越来越广泛。光栅与棱镜相比具有色散率大、分辨率高、工作光谱范围广（反射式光栅不受材料透过率的影响）等优点。光栅的种类有平面光栅、凹面光栅、阶梯光栅等多种类型。下面以反射式平面光栅为例说明其工作原理。
    反射式平面光栅是在高精度平面上刻有一系列等宽而又等间隔的刻痕所形成的光学元件。平面反射光栅的分光原理如图3 所示，一束平行复合光入射到光栅上，相邻两刻痕对应的光线11′和光线22′的光程差为：
    从波动光学可知，相干光束干涉极大值的条件为：
    将公式6代入公式7中，可得相邻两光线干涉极大值的条件为：
    公式8即为光栅方程。其中i为入射角；θ为衍射角；d为刻痕间距，通常称为光栅常数；m为光谱级次，为整数，m=0,±1,±2......公式8还可以写成：
    由公式9可以看出，当光栅的光栅常数d与入射角i一定时，除零级外，在确定的光谱级中，波长越长，光谱的衍射角越大。这样在光线的反射端，自零级开始向左右两侧，按波长次序由短波向长波依次散开，达到了分光的作用。
    4．光电检测阵列
    光信号能量的检测有很多种方法。在二十世纪七十年代，人们发明了基于PMOS技术的光电检测阵列来接收光谱信号，并在有些场合逐步取代了以往的胶片成像技术和电子摄像技术。这种技术一出现就获得了广泛的应用，取得了长足的发展。光电检测阵列特别适用于以下两个方面的应用：(1)光线很弱，需要数分钟的时间来感应光能量的场合（如天文观测）。在这种应用中，如果采用单波长扫描技术，为了得到整个所测波长范围内的光谱信号，往往需要数小时的时间，而采用光电检测阵列可以缩短检测时间，有效地解决了这一问题。(2)光线虽然较强，但对测量时间的要求很苛刻的场合。光电检测阵列具有明显的优势，配合现代高速的数字信号处理技术，可以完成每秒数千个光谱信号的接收和处理。由此可见，光电检测阵列特别适用于在控制及系统监测等场合使用。
    在DWDM系统中的光谱监测就特别适合于采用这种光电检测阵列来进行光电能量的转换，它有以下几个优势：
    ●可以采用凹面全息光栅或光纤Bragg光栅使光学器件结构紧凑，有效地减小设备的体积；
    ●没有可动部件，可以在稳定性不是很好的现场使用；
    ●不需要现场波长校准，易于维护；
    ●这种器件集成度更高，噪声很低；
    ●可以获得很大的动态范围。

三、数字信号处理器（DSP）的数值分析
    光谱信号被采样后送入数字信号处理器（DSP）中进行处理并得出结果。DSP特别适合于做运算方面的处理，它采用高效的算法，能够以很快的速度对原始数据进行处理，并把结果保存下来。以C波段（1530.28nm～1562.68nm）为例，如果采用有511个像素的光电检测阵列，则每个像素检测0.0633nm波长宽度的光能量。这些检测数值经A/D变换后送入到数字信号处理器中进行处理，得到如下的一组原始数据：
    yi = f (xi), i=0,±1，±2......±255，其中yi代表光功率；xi = x0+h×i为等间距点，代表光波长点；x0为中心波长；h=0.0633nm。
    数字信号处理器对这些离散数据进行高斯插值运算，寻找出一个连续函数P(x)来逼近f(x)，使得公式y=f(x)=P(x)+R(x)成立，其中R(x)为余式。这样就可以由少数的一些样点（511个点）经yi=f(xi)运算得出任意点的光谱数值（P(x)在相应波长x处的取值）。
    由高斯插值公式可得：
    公式10中等式右边的各项分别为f(x)的各阶差商；Δn yi为f(x)的n阶差分。令t=(x-x0)/h，则f(x)的余项为：
    公式10中的P(x)就是经过插值运算所得到的光谱函数。但在实际计算中，光谱函数只能由P(x)的前几项来近似取得，所产生的误差叫做截断误差，其误差可以用余式来估计。截断误差与近似式中所截取的项数有关。根据余式来看，似乎插值公式中所截取的项数越多，所产生的截断误差就越小，实际上并不尽然，由于光电器件的老化及其固有的非线性等因素的影响，所测得的原始数据本身就有测量误差存在，这种测量误差可能会在插值的过程中逐级累积、扩散和放大，导致误差的增大。当然，误差也有被削弱、抵消的可能性。在实际运算中，应综合考虑系统的测量精度要求、计算量等因素合理选取保留项数。一般取插值公式中的前四项左右作为近似值比较合适。
    光谱分析器（OSA）的意义在于两方面：从技术上讲，这种方式可以在波分复用层（DWDM）上在线检测线路中传输的光信号中各通道的光功率、光波长以及光信噪比，从而实现系统性能的监测和故障的自动定位，而不需要通过SDH开销的处理来实现这一功能，真正体现了DWDM系统的透明性（通信质量的监测与接入的业务无关）；从服务上讲，OSA体现了“急用户所急、想用户所想”的宗旨，极大地方便了维护人员的工作。