光信噪比（OSNR）是光网络的关键性能参数之一。光性能监控模块（OPM）提供低成本的OSNR在线监测功能，在网络建设和维护中起到越来越重要的作用。传统的OSNR测试方法，即带外测试方法，遵循IEC 61280-2-9标准，该方法通过测量信道间噪声等效为信道内噪声从而计算出OSNR，目前大多数厂商的OPM均以此法作为标准的测试方法。
随着网络带宽的发展，40Gbit/s波分系统已经开始被广泛的部署。由于40G速率信号光谱较宽，当信道间隔为50GHz或者更小时，相邻信号光谱发生重叠串扰，传统的OSNR测试方法无法得到真实的噪声水平。另外，对于ROADM系统，信道间的噪声水平会因为滤波效应而减小，导致传统测试方法得到的噪声水平偏低。这些问题的出现使OSNR测试面临新的技术挑战。
带外测试方法的失效，使带内OSNR测量成为解决上述问题的根本途径。目前的带内测试技术主要是基于偏振技术的方法，该方法根据信号光基本是偏振光而噪声光基本是非偏振光的特征，通过光学和算法手段将信号光和噪声光分离，从而实现OSNR测量。经过将近十年的发展，各种基于偏振技术的带内测试方案取得了很大进展，也有仪表厂商已经推出了具备带内OSNR测试功能的新一代光谱分析仪。与仪表不同的是，OPM模块对成本、尺寸等要求比较高，目前还没有厂家推出具备带内OSNR测试功能的OPM模块。本文提出一种方案，将偏振技术应用于OPM模块实现带内OSNR测量，并通过测试数据证明该方案的可行性。
2. 原理与结构
如图1所示，虚线方框内给出了具备带内OSNR测试功能的OPM模块的基本结构，其中包括偏振控制器，起偏分束器，一个1*2光开关，光谱获取单元和数据处理（OSNR计算）单元。信号噪声混合光首先经过偏振控制器，偏振控制器的作用是改变入射光的偏振态，本文采用TN型液晶片的旋光特性通过电压控制实现。 从偏振控制单元出射的光再经起偏分束器分为两部分光，调节偏振控制器使两部分光的功率一大一小，用光谱获取单元分别测量得到两部分光的光谱。光谱获取单元主要包括滤波器和探测器，本文采用了两种结构实现，一种是衍射光栅和阵列探测器的结构，另一种是MEMS可调谐滤波器和单通道探测器的结构。
测量得到的光谱功率数据按照两部分光功率的大小分别记为P>i，P<i（>表示功率较大的那一部分光，i标记波长点）。由光谱数据在信道内积分可以得到积分功率P>int，P<int，包含噪声的信道光功率为
（1）
P>int，P<int均由信号和噪声两部分组成，即
（2）
其中， S为信号光功率，较大那一部分光包含的信号光功率表示为kS（0.5<=k<=1）。参数表示偏振分束器对特定波长信号光分光的比例，其值取决于信号光的偏振态，调节偏振控制器可以改变k值大小。N为噪声光功率，由于噪声光是非偏振光，两部分光中包含的噪声光功率近似相等。
根据（2）式，信号功率可以表示为
（3）
当信道噪声功率为0时，
。在信道光谱功率的极大点i=max，噪声光功率在光谱功率中所占比例最小，由此得到的初始估计值（零级近似值）
（4）
在初始估计的k值下，max点的噪声功率为0，即N0MAX = 0。 在max点的附近（带内波段）选取左右两点i=L，i=R，由可以计算得到L，R点的噪声值的零级近似
（4）
其中
，
。 根据L,R点的噪声零级近似值可以插值得到max点的噪声一级近似值：
（5）
其中a为插值参数，本文采用线性插值计算。同上，根据max点的噪声一级近似又可以计算噪声二级近似。采用迭代算法计算带内噪声，第j（j>=0）次迭代计算公式为：
（6）
与每一次迭代计算得到的噪声值相应的OSNR值为：
（7）
其中CBWs，CBWn分别为信号和噪声的积分带宽，为光谱采样步长。若忽略积分功率中的噪声功率，则（7）简化为：
（8）
图1. 带内OSNR模拟测试系统
3. 测试结果及分析
本文采用可调谐激光器和ASE光源模拟的信号噪声混合光对上述方案进行全面测试。如图1所示，通过可调光衰减器可以改变OSNR的大小，并使用传统的光谱分析仪测试真实的OSNR值。这里的模拟信号的噪声是平坦分布的，因此用光谱分析仪采用带外法可以测得准确的OSNR，可以作为OPM带内法测试结果的校准值。光谱获取单元采用了两种结构：(a)衍射光栅和InGaAs阵列探测器结构; (b) MEMS可调谐滤波器和单通道PIN二极管结构。(a)结构的优点是没有移动部件，稳定性好，采样速度快；缺点是探测器较昂贵，成本较高，采样步长受限于探测器像元数量。(b)结构的优点是光路简单，成本低廉，采样步长可变；缺点是稳定性和重复性较差，采样速度较慢。
经偏振分束器之后测得的光谱如图2所示，图中测试波长为1550.12nm，P>i，P<i分别表示功率较大部分和功率较小部分光谱。(a)图中偏振分光比k=0.83，光源信噪比约25dB，(b)图中偏振分光比k=0.82，光源信噪比约15dB。
根据图2所示光谱数据计算带内OSNR时，(a),(b)结构均取L,R点为离中心波长偏移约0.1nm处计算，噪声积分带宽为0.1nm。算法迭代过程如图3所示,(a)结构迭代次数约5次以后达到收敛值(迭代值变化小于0.01dB)；(b)结构迭代次数约10次以后达到收敛值。从图中可以看到，在OSNR为15~25dB范围，两种结构的OSNR误差均在+/-0.5dB以内。
图2. 经过偏振分束器之后所测得的光谱
图3. 带内法测试OSNR误差与计算迭代次数的关系
通过偏振控制器可以改变偏振分光比k, 不同的k值下，OSNR测试能力不同。图4给出在OSNR约25dB时，OSNR误差与k值的关系。从图中可以很明显的看出，对于两种结构，总体趋势均是k值越大，OSNR误差越小。在k大于约0.8时，OSNR误差均在0.5dB以内，在k值为0.5~0.8范围内，(b)结构的整体误差要小于(a)结构。
图4. OSNR误差与k值的关系
根据以上测试，满足k值足够大和迭代次数足够多是算法上的必备条件，在这个基础上，我们可以对该方案的OSNR测量能力做全面的测试。如图5所示，对两种光谱获取结构，在k>0.8范围内分别选取三种k值进行测试。整体规律是OSNR越大，测试误差越大。具体的，OSNR=15~25dB范围， OSNR误差均在0.5dB范围以内；OSNR=25-30dB范围内，(a)结构的最大误差约2.5dB，(b)结构的最大误差约1.5dB；OSNR=30-35dB范围，(a)结构最大误差在10dB以上（在图示范围外），(b)结构最大误差约4dB。根据这个测试结果，完全能够满足目前的OPM指标需求。
图5. OSNR误差与待测OSNR大小的关系
4. 结束语
设计实现了一种基于偏振技术的具备带内OSNR测试功能的光性能监控模块，在传统的OPM模块的基础上，加入偏振控制，偏振分束以及光开关技术，并通过算法分析得到带内OSNR。根据模拟信号测试，在25dB以内，OSNR精度可以达到0.5dB以内，满足目前OPM 模块的技术指标。与传统的带外法不同的是，该方案不需要从信道间取噪声，只需要取信道中心波长附近0.1nm范围以内的光谱即可计算出OSNR，因此可以用于光谱展宽较大的40G或者更高速率的DWDM光网络监控，也可以避免ROADM系统的滤波效应导致的带外噪声失真的问题。模块结构紧凑，无移动部件，在传统OPM的基础上增加的成本不高，具备一定的商用价值。