光信号明暗比监测装置与方法 【技术领域】
本发明是关于一种光信号明暗比(Extinction Ratio，ER)监测装置与方法。
背景技术
一般内建于光网络节点的光频谱分析仪(Optical SpectrumAnalyzer，OSA)原有功能可临测如光功率、光波长、光路径损失、光信号噪声比(Optical Signal To Noise Ratio，OSNR)等参数。现今常用的技术中，常以数字通讯分析仪(Digital Communication Analyzer，DCA)来观测光信号的眼图(Eye Diagram)，以分析光信号相关参数，例如光信号的ER值。眼图是虚拟随机二元序列信号经过循序取样(SequentialSampling)重建而成。
图1是一种计算光信号的ER值的范例流程。图1的范例中，将接收的光信号101经由光电转换110，而成为电信号脉冲110a，再经过循序取样与眼图重建120而成相对应的眼图120a，然后从中分析出光信号位“1”与位“0”的两光功率值130，进而求得ER值。
Christopher M.Miller等人于1994年发表的文献中，使用眼图分析仪(Eye Diagram Analyzer)来执行数字传输系统的光信号相关参数的设定，其中的光信号的ER值的计算公式的定义如下：
Extinction ratio(dB)=10.log10[One levelZero level]]]>
光信号位“1”与位“0”的两平均光功率P1与P0的位置是取决于长条统计图(Histogram)的峰值(Peak Value)，而峰值的地方就是准位“1”(Level One)与准位“0”(Level Zero)的位置。
美国专利号5,535,038揭露一种以直接量测功率来决定ER值的装置与方法。如图2的范例所示，以功率量测器(Means for MeasuringPower)210来量测调变信号(Modulated Signal)的功率值Pmod，而以伏特计(Voltmeter)(等同于量测光功率)220为例，来量测光功率平均值Pav。再利用下列公式来决定ER值：
ER=Pav+PmodPav-Pmod.]]>
此装置需要光电转换230来将光信号转换成电信号。
美国专利公开号2007/0109533揭露一种非取样式的Q值量测(Non-Sampling-Based Q-Factor Measuring)装置与方法。如图3的范例所示，此技术通过一个光信号领域转换模块，对于欲监测的光信号光功率波形转换为其它领域信号形式，例如通过功率至波长转换模块(Power-To-Wavelength Conversion Module)310，转换为光波长变化波形。当光信号由光功率变化波形转换为光波长变化波形，则光信号在光波长领域的Q值定义如下：
Q≡μ1(nm)-μ0(nm)σ1(nm)+σ0(nm),]]>
其中μ1(nm)，μ0(nm)分别为光信号位“1”与“0”的平均光波长；σ1(nm)、σ0(nm)为光信号位“1”与“0”光波长的标准差。
上述这些技术皆需要搭配光滤波器才能处理分波多任务多通道光信号。
如图4的范例所示，在时域(Time Domain)上，光信号经光纤传输后，单一波长直接调变激光(Directly Modulated Laser，DML)的输出光功率波形410(即实线表示)与啁啾(Chirp)波形420(即虚线表示)两者存在着极高的相似程度性(Resemblance)，光信号位“1”与“0”分别存在着不同的光频率偏移量，即啁啾效应。因此，有需要直接以光频谱解析单元，例如光频谱分析仪，来达成在光领域(Optical Domain)上监测光信号的ER值。
【发明内容】
根据本发明所揭露的实施范例中，可提供一种光信号明暗比监测装置与方法。
在一实施范例中，所揭露者是有关于一种光信号明暗比监测装置，此装置包含一光频谱解析单元(Optical Spectrum Analyzing Unit)、一个ER监测控制单元(ER Monitoring Control Unit)、以及一个ER监测输出单元。光频谱解析单元分别量测出来自一分光器的光信号的位“1”与“0”两根峰值，并取得光信号位“1”与“0”两根峰值的光波长。监测输出单元将两光波长的差值，即Δλp-p(real)值，输出至ER监测控制单元。ER监测控制单元分别与光频谱解析单元以及ER监测输出单元连接，并根据此光波长差值估算出用来设定光频谱解析单元的一最佳的解析频宽(Resolution Bandwidth，RBW)值。如此，光频谱解析单元量测出光信号的位“1”与“0”的两光功率值。ER监测输出单元由此两光功率值P1与P0计算出光信号的明暗比值。
在另一实施范例中，所揭露者是有关于一种光信号明暗比监测方法，此方法包含：使用一光频谱解析单元来量测出光信号位“1”与“0”两根峰值的光波长的差值(Difference)；根据此光波长的差值，估算出一最佳的解析频宽值；以及使用具有此最佳的解析频宽值设定值的光频谱解析单元，来量测出光信号位“1”与“0”两根峰值的光功率值P1与P0，并由此两光功率值P1与P0计算出光信号的明暗比值。
【附图说明】
以下配合下列附图、实施范例的详细说明及申请专利范围，将上述及本发明的其它特征与优点详述于后，其中：
图1是一种计算光信号的ER值的范例流程。
图2是以直接量测功率来决定ER值的装置的一个范例示意图。
图3是光功率变化波形转换为光波长变化波形的光频谱分析的一个范例示意图。
图4说明单一波长直接调变激光的输出光功率波形与啁啾波形一个范例示意图。
图5是光信号明暗比监测装置的一个范例示意图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。
图6是图5在一实验环境下地工作范例的一个示意图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。
图7是2.5Gbps直接调变DFB激光的光频谱，以及在25km单模光纤传输后的光频谱，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。
图8是在啁啾影响下的光频谱与光频谱分析仪使用相同的解析频宽的一个范例示意图。
图9是测得的Δλp-p(real)、ER误差值、以及RBW值这三者之间的关系的一个范例示意图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。
图10说明在不同速率直调光信号下，Δλp-p(real)与最佳的RBW值存在着良好的线性关系，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。
图11是光信号明暗比监测方法的一个范例示意图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。
图12是在不同激光操作温度变动下，根据本发明监测得到的ER值与以数字通讯分析仪所量测得到的ER值的关系的一个范例图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。
【具体实施方式】
在直接调变激光的驱动下，光信号的输出会有一根最高峰值与一根次高峰值的波形，两根峰值间距(即波长差值)为静态啁啾(AdiabaticChirp)。如前所述，直接调变激光在啁啾影响下输出光信号的光功率波形与啁啾波形极为相似，因此位“1”与位“0”各具有不同的光频率(光波长)。本发明的关键技术的一在于如何使用光频谱分析法来监测光信号的ER值，从光频谱上可以直接分析出光信号的ER值。从光频谱分析，短波长的峰值信号为位“1”，平均光功率为P1，长波长的峰值信号为位“0”，平均光功率为P0，而在光频谱分析仪上就可直接读出P1(dBm)与P0(dBm)，通过此两光功率值(dBm)就可计算出光信号的明暗比ER(dB)值。
直接调变激光在输出光信号光功率P(t)与啁啾Δv(t)的关系式如下：
Δv(t)=α4π(ddt[ln(P(t))]+kP(t))]]>
其中，α为线宽增强因子(Linewidth Enhancement Factor)，κ为静态(Adiabatic)啁啾系数。
图5是光信号明暗比监测装置的一个范例示意图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。参考图5，光信号明暗比监测装置500包含有一光频谱解析单元510、一ER监测控制单元520、以及一ER监测输出单元530。
光频谱解析单元510量测出来自一分光器501的光信号的位“1”与“0”两根峰值，并取得光信号位“1”与“0”两根峰值的光波长。例如，可根据一解析频宽的预定值来量测出此两根峰值。监测输出单元530将两根峰值的光波长的差值，即Δλp-p(real)值，输出至ER监测控制单元520。ER监测控制单元520分别与光频谱解析单元510以及ER监测输出单元530连接，并根据此Δλp-p(real)值的一关系式估算出一最佳的RBW值520a，以设定光频谱解析单元510。如此，光频谱解析单元510具有此最佳的RBW设定值，量测出光信号的位“1”与“0”的光功率值P1与P0，并提供给ER监测输出单元530。ER监测输出单元530由此两光功率值P1与P0，计算出光信号的明暗比值530a。
承上述，图6是光信号明暗比监测装置500在一实验环境下的工作范例的一个示意图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。此实验环境的设置说明如下：采用直调式的分布式反馈(Distributed Feedback，DFB)激光601作为激光光源，虚拟随机二元序列(Pseudo-Random BinarySequence，PRBS)信号产生器603的PRBS长度为27-1，换句话说，虚拟随机二元序列信号产生器603可以产生27-1个循环位；其资料速率(DataRate)分别有2.5Gbps和10Gbps。直接调变信号电流为40mA，光频谱分析仪的RBW的初始值设定在0.06纳米(nm)。
此实验环境下，光信号传送端一般以单一波长直接调变激光方式载送资料信号，已调变的光信号会伴随着啁啾特性，使得在光频谱解析下光信号位“1”与位“0”的光频谱可以在光频谱上分离开来，以利计算出ER值。
本发明的实施范例除了具有多通道监测功能外，光信号经光纤传输后，还可以通过本发明的实施范例，进行远程光信号源头的监测。例如标号605所示，光信号经25km单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)传输后，通过光信号明暗比监测装置500，来监测出远程光信号源头的ER值，此例ER值为3.3dB。
图7所示为此实验环境下，光信号经2.5Gbps资料速率的光纤传输后，直接调变DFB激光的光频谱710，以及在25km单模光纤(Single ModeFiber，SMF)传输后的光频谱720。如前述的时域上的啁啾效应，光功率波形与啁啾波形存在着极高的相似程度性。整体光频谱平均功率虽然会因光传输衰减而下降，然而，从图7可以看出整个在波长域(Wavelength Domain)上的光频谱轮廓(Profile)依然保持不变。因此，可以通过本发明的光信号明暗比监测装置500的实施范例，来监测出远程光信号源头的ER值。
光信号明暗比监测装置500也可以内建于光频谱分析仪，结合其原有功能来达成监测WDM多通道的参数监测，例如光波长、光功率、光路径损失、光信号噪声比、光信号明暗比等参数，而不再需要贵重仪器-高速数字通讯分析仪的眼图分析与ER计算。ER监测数值输出单元还包括处理光功率、光波长、Δλp-p(real)、以及光信号的ER值等计算。
光频谱解析单元510可以用多种方式来实现，例如采用一组可变解析频宽可调式光滤器及检光器来实现；或是采用两组可调式光滤波器及检光器来实现，其中一组可调式光滤器的解析频宽小于等于一nm级的预定值，例如0.01nm，而另一组可调式光滤器的解析频宽等于该预定值的n倍率；或是采用一绕射光栅光滤波器(Diffraction Grating Filter)及一检光器阵列(Photodiode Array)来实现。对单一光通道信号而言，若Δλp-p(real)值已知且为固定数值，则光频谱解析单元可简化成一组固定RBW设定值且位“1”与“0”可各别滤出的光滤波器及其所需的检光器。
通常，位“1”与“0”两根峰值的波长并不会维持一个定值，会随着光功率的变动而变化，所以一般会希望以一个足够宽的解析频宽(RBW)来滤波量测位“1”与“0”两根峰值的光功率，以正确的取得平均值。当位“1”与“0”两根峰值的光波长的差值较大时，可以设定较大的解析频宽以准确取得光功率平均值。然而当位“1”与“0”两根峰值的光波长的差值缩小时，就不能再使用相同的解析频宽。这是因为量测位“0”的光功率时，就容易因为过大的解析频宽而涵盖到位“1”的光功率，导致于低估ER值，此现象如图8所示。
图8的上图所示为，当位“1”与“0”两根峰值的光波长差值较大时，光频谱分析仪被设定较大的解析频宽来准确取得光信号的位“1”与“0”的光功率值P1与P0。图8的下图所示为，光频谱分析仪使用相同的解析频宽，导致量测位“0”的光功率P0值涵盖到位“1”的光功率P1值。因此，必须根据不同的Δλp-p(real)值来取得最佳的解析频宽。换句话说，此最佳的RBW值与光信号位“1”与“0”两根峰值的光波长的差值(即Δλp-p(real)有关。
为了让光频谱解析单元510精确地量测到正确的位“1”与“0”两根峰值的光功率，以计算出ER值，本发明找出最佳的RBW值与Δλp-p(real)的关系。图9是测得的Δλp-p(real)、ER误差值、以及RBW值这三者之间的关系的一个范例示意图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。在图9中，对于每一个ER值使用不同RBW设定值所测得的Δλp-p(real)，在RBW为0.01nm时会收敛于一个平均值0.11907nm，并且ER误差最小值出现在RBW为0.08nm。当ER值越小时，监测所得的ER值越不受RBW的影响。
图10进一步说明在不同速率直调光信号下，Δλp-p(real)与最佳的RBW值存在着良好的线性关系。图10的范例中，圆圈与钻石形的数据分别是光信号经2.5Gbps与10Gbps资料速率的光纤传输后，根据不同的Δλp-p(real)值所取得的不同的最佳解析频宽。可以看出，Δλp-p(real)与最佳的RBW值存在着良好的线性关系。所以，当Δλp-p(real)值为已知时，最佳的RBW设定值可以采用Δλp-p(real)的线性关系式来估算。换句话说，最佳RBW的估算值＝α+β×Δλp-p(real)，α与β是大于0的常数。例如，在一仿真分析结果中，一个有用的估算公式为：RBW的估算值＝0.013979+0.54425×Δλp-p(real)，因此当Δλp-p(real)＝0.088nm时，估算出最佳RBW值接近0.06nm。此最佳的RBW设定值就可以用来设定光频谱解析单元510。
图11是光信号明暗比监测方法的一个范例流程图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。参考图11的范例流程，使用一光频谱解析单元来量测出光信号位“1”与“0”两根峰值的光波长(步骤1105)；以此两光波长的差值的一关系式，估算出一最佳的解析频宽值(步骤1115)。使用具有此最佳的解析频宽设定值的光频谱解析单元，来量测出光信号位“1”与“0”两根峰值的光功率值P1与P0，并由此两光功率值P1与P0，计算出光信号的明暗比值(步骤1125)。
图11的范例流程可在一光频谱分析仪上来执行。在步骤1105中，此光频谱解析单元的解析频宽可以初始设定为一预定值，例如大于0nm且小于等于0.01nm的一预定值。若两根峰值的光波长差值Δλp-p(real)为已知时，则可以省略步骤1105。在步骤1115中，如前所述，最佳的RBW设定值可以采用Δλp-p(real)的线性关系式来估算。在步骤1125中，光信号的明暗比值例如是以P1(mW)与P0(mW)的比值或是以P1(dBm)与P0(dBm)的差值来算出，换句话说，光信号的明暗比ER(dB)值可通过下列两式子的一来算出：
ER(dB)＝10×log10(P1(mW)/P0(mW))，或是
ER(dB)＝P1(dBm)-P0(dBm)。
图12是在不同激光操作温度变动下，例如20℃、25℃、30℃，根据本发明监测得到的ER值与以数字通讯分析仪所量测得到的ER值的关系的一个范例图，并且与本发明的某些揭露的实施范例一致。从图12的范例可以看出，纵轴所代表的直接在OSA上监测得到的ER值不会受激光操作温度变动的影响，并且与横轴所代表的数字通讯分析仪所量测得到的ER值几近相等。
综上所述，本揭露的实施范例可提供一种光信号明暗比监测装置与方法，除了可以在OSA量测光信号ER值并提供准确地监测光信号的ER值外，还可以同时具有多波长通道的波长监控功能与远程监测光信号ER值的特性，不受激光操作温度变动的影响。
惟，以上所述的仅为本发明的实施范例，当不能依此限定本发明实施的范围。即凡是本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的权利要求涵盖的范围。