高速率光信號(hào)消光比測(cè)量的誤差分析

費(fèi)豐，劉超，彭博

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子第四十一研究所，山東青島 266555)

0 引言

我國(guó)目前的光纖通信系統(tǒng)骨干網(wǎng)和軍用通信網(wǎng)采用的是SDH(同步數(shù)字體系)傳輸體制，傳輸速率大多數(shù)呈2.5 Gbit/s 水平，有部分地區(qū)和軍用光纖網(wǎng)開(kāi)通了10 Gbit/s 系統(tǒng)，少數(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已部署了40 Gbit/s 的試驗(yàn)系統(tǒng)，信號(hào)傳輸速率不斷提升。在高速光纖通信系統(tǒng)中，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)光收發(fā)模塊的最高傳輸速率已經(jīng)達(dá)到10 Gbit/s。根據(jù)ITU-T G.957-2006 建議中對(duì)STM-64 光接口規(guī)定的參數(shù)，對(duì)光信號(hào)消光比要求最小為8.2 dB［1］，因此消光比參數(shù)是器件生產(chǎn)、系統(tǒng)集成和應(yīng)用等領(lǐng)域都非常關(guān)心的重要參數(shù)。

1 消光比的定義和測(cè)量過(guò)程

消光比(Extinction ratio，ER)是指光信號(hào)在傳輸過(guò)程中，傳號(hào)(邏輯‘1’電平)時(shí)的平均光功率與空號(hào)(邏輯‘0’電平)時(shí)的平均光功率的比值。在實(shí)際應(yīng)用中更多的是采用對(duì)數(shù)方式表示(單位為dB)，或百分比方式表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于消光比的測(cè)量一般都是采用IEC61280-2-2-2008 中推薦的基于示波器眼圖的測(cè)量方法，即先用一個(gè)高速光接收機(jī)對(duì)光發(fā)射機(jī)的輸出光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再用示波器對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量［2］。圖1 是其測(cè)量原理框圖。

圖1 消光比測(cè)量原理框圖

所謂“眼圖”，就是由解調(diào)后經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出的基帶信號(hào)，以碼元定時(shí)作為同步信號(hào)在示波器屏幕上顯示的波形，其方法是把示波器的掃描周期調(diào)整到碼元間隔T 的整數(shù)倍。在這種情況下，示波器熒光屏上就能顯示出一種由多個(gè)隨機(jī)碼元波形所共同形成的穩(wěn)定圖形，類(lèi)似于人眼(如圖2所示)，因此稱(chēng)為眼圖。從理論上講，一個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)只要滿(mǎn)足某一特定公式就可消除碼間串?dāng)_。但在實(shí)際系統(tǒng)中要想做到這一點(diǎn)非常困難，甚至是不可能的。這是因?yàn)榇a間串?dāng)_與發(fā)送濾波器特性、信道特性、接收濾波器特性等因素有關(guān)，在工程實(shí)際中，如果部件調(diào)試不理想或信道特性發(fā)生變化，都可能使傳輸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)改變，從而引起系統(tǒng)性能變壞。在實(shí)踐中，人們通過(guò)對(duì)“眼圖”的測(cè)量計(jì)算出消光比，從而估計(jì)光纖傳輸系統(tǒng)優(yōu)劣程度，也可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)光發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_，改善系統(tǒng)的傳輸性能。

圖2 “眼圖”示意圖

實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用示波器測(cè)得光發(fā)射模塊全“0”碼時(shí)相應(yīng)電壓值以及輸入碼源信號(hào)后示波器“眼圖”上頂部線(xiàn)與示波器基線(xiàn)間的電壓值，然后根據(jù)公式計(jì)算出ER。需要注意的是，這時(shí)的眼圖應(yīng)符合相關(guān)要求。

2 消光比測(cè)量過(guò)程中的主要誤差來(lái)源及解決辦法

根據(jù)消光比的測(cè)量過(guò)程分析，其測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于光接收機(jī)和示波器本身的性能，主要誤差來(lái)源包括光電探測(cè)器的本底噪聲、電路噪聲、測(cè)量設(shè)備的頻率響應(yīng)和示波器測(cè)量信號(hào)幅度的準(zhǔn)確度［3］。下面分別就這些誤差源對(duì)消光比測(cè)量的影響加以介紹。

2.1 噪聲產(chǎn)生的偏置

2.1.1 對(duì)結(jié)果的影響

由于光電探測(cè)器內(nèi)部的暗電流或探測(cè)器之后的放大器等電路都存在一定的噪聲，因此示波器在沒(méi)有探測(cè)器光信號(hào)輸入的情況下通常也會(huì)測(cè)得微弱的輸出信號(hào)，從而產(chǎn)生偏置，這種偏置電壓會(huì)使示波器上測(cè)得的眼圖發(fā)生位移，影響消光比測(cè)量結(jié)果［2，4］。下面舉例說(shuō)明這種偏置是如何對(duì)消光比測(cè)量造成影響的。

假設(shè)某光信號(hào)眼圖如圖3 中左側(cè)所示，其邏輯‘1’電平為1 mW，邏輯‘0’電平為50 μW，即消光比為13 dB 或20。將此光信號(hào)用一個(gè)光電變換增益為500 V/W、暗信號(hào)輸出(偏置)為10 mV 的光接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量，在示波器上得到的就是圖3 中右側(cè)所示的眼圖測(cè)量結(jié)果:邏輯‘1’電平由理想情況下的500 mV變成了510 mV，邏輯‘0’電平由理想狀態(tài)下的25 mV 變成了35 mV，即其消光比為11.6 dB 或14.6，測(cè)量誤差高達(dá)1.4 dB 或27%。由此可見(jiàn)，要提高消光比參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度必須解決儀器內(nèi)部噪聲帶來(lái)的影響。

圖3 偏置對(duì)消光比測(cè)量的影響

2.1.2 解決的辦法

針對(duì)這一問(wèn)題，首先應(yīng)選擇具有高帶寬、低噪聲前置放大器的光電探測(cè)器，探測(cè)器工作時(shí)可通過(guò)電制冷等方式降低其工作環(huán)境溫度并保持溫度穩(wěn)定，以減小探測(cè)器的暗電流輸出;其次在測(cè)量軟件流程上采取措施:在每次測(cè)量前，在光接收機(jī)沒(méi)有光輸入的情況下進(jìn)行系統(tǒng)“暗校準(zhǔn)”，即將此時(shí)的測(cè)量設(shè)備引入的偏置電壓測(cè)量出來(lái)，并作為參考值;然后在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，將此參考值從測(cè)量值中扣除，將修正后的結(jié)果作為最終測(cè)量結(jié)果。

2.2 光接收機(jī)的頻率響應(yīng)

光接收機(jī)(O/E)主要包括光電探測(cè)器和后續(xù)的放大器、濾波器等電信號(hào)處理部分。

2.2.1 對(duì)結(jié)果的影響

在ITU 等國(guó)際組織的文件規(guī)范中，對(duì)光接收機(jī)的頻率響應(yīng)規(guī)定允差范圍，要求符合四階貝賽爾-托馬森響應(yīng)［1］。光接收機(jī)的頻響通?？梢苑譃橹绷鞣至亢徒涣鞣至?jī)蓚€(gè)部分，其中直流分量的偏差是由其內(nèi)部的微波開(kāi)關(guān)、半剛電纜等微波線(xiàn)路帶來(lái)的，這會(huì)使測(cè)量眼圖產(chǎn)生垂直幅度上的偏移，直接影響消光比測(cè)量結(jié)果。不過(guò)這種偏差是系統(tǒng)性的，可以通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)予以消除。

光接收機(jī)頻響的交流分量偏差是由取樣器、濾波整形、光電二極管和前置放大器等環(huán)節(jié)引起的，這會(huì)使眼圖的形狀發(fā)生改變，從而影響消光比測(cè)量，特別是在存在“過(guò)沖”和“下沖”的情況下，影響更為嚴(yán)重［2，5］。

圖4 中的眼圖是一個(gè)理想的光接收機(jī)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)和輸出眼圖，可以看出其眼圖軌跡單一而清晰，可認(rèn)為沒(méi)有任何偏差或缺陷，消光比為無(wú)窮大。圖5則是一個(gè)非理想的光接收機(jī)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)和輸出眼圖，其眼圖軌跡明顯加寬，眼的張開(kāi)度變小，而且明顯存在“過(guò)沖”現(xiàn)象。根據(jù)消光比的定義，未經(jīng)校準(zhǔn)的光接收機(jī)測(cè)得的消光比準(zhǔn)確度明顯下降。通過(guò)試驗(yàn)我們可以得知，一個(gè)光接收機(jī)的中低頻段頻率響應(yīng)會(huì)對(duì)輸出信號(hào)眼圖產(chǎn)生重要影響，低頻部分頻響會(huì)使眼圖產(chǎn)生幅度上的偏移，中間頻段(即3 dB 帶寬附近)的頻響會(huì)帶來(lái)明顯的圖案相關(guān)抖動(dòng)，使眼圖軌跡加寬，產(chǎn)生“過(guò)沖”或“下沖”，而高頻部分的頻響對(duì)眼圖的形狀和位置基本沒(méi)有影響。

圖4 理想的光接收機(jī)輸出的信號(hào)眼圖

圖5 一個(gè)未經(jīng)校準(zhǔn)的光接收機(jī)輸出的信號(hào)眼圖

2.2.2 解決辦法

要解決這一問(wèn)題，應(yīng)對(duì)光接收機(jī)的頻率響應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，計(jì)算出其在不同工作速率所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)處的頻響偏差，然后在用示波器進(jìn)行消光比測(cè)量時(shí)，將這些頻響偏差作為修正因子，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。同時(shí)在實(shí)際測(cè)量中，還應(yīng)根據(jù)示波器上眼圖的具體形狀來(lái)判定是否存在“過(guò)沖”或“下沖”問(wèn)題，對(duì)于存在這種現(xiàn)象的，改變消光比測(cè)量時(shí)選擇的采樣區(qū)間，或是調(diào)整測(cè)量濾波器，以減小其影響。

2.3 示波器信號(hào)波形幅度測(cè)量準(zhǔn)確度

2.3.1 對(duì)結(jié)果的影響

從消光比的定義看需要測(cè)量邏輯‘1’和‘0’高、低兩個(gè)信號(hào)電平，示波器的幅度測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)直接影響這兩個(gè)信號(hào)電平的測(cè)量［6］。下面以一臺(tái)安捷倫公司的86100C 示波器測(cè)量消光比為例，分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)消光比為10 dB 和16 dB 的光信號(hào)。該示波器的幅度測(cè)量誤差為±25 μW±2%讀數(shù)，其中的±25 μW 實(shí)際就是示波器的偏置。

表1 修正前的測(cè)量結(jié)果

從上面的例子可以看出，示波器的幅度誤差對(duì)消光比的測(cè)量影響非常大，因此在實(shí)際測(cè)量中，必須采取一定的措施減小其影響。

2.3.2 解決辦法

一般可以采取實(shí)時(shí)校準(zhǔn)加軟件修正的辦法來(lái)降低示波器幅度測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)消光比測(cè)量結(jié)果的影響。具體做法是:在每次正式測(cè)量開(kāi)始前，先執(zhí)行系統(tǒng)“暗校準(zhǔn)”，測(cè)出示波器的偏置，并在測(cè)量結(jié)果中予以扣除;經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后可以將86100C 示波器的偏置影響減小到±2 μW 以下;同時(shí)用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)對(duì)86100C的幅度誤差(光功率測(cè)量誤差)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定，在預(yù)期的幅度測(cè)量范圍內(nèi)得到一組不同量程的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并使用這組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，從而將示波器幅度測(cè)量誤差減小了0.5%左右。同樣按上面的例子計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 修正后的測(cè)量結(jié)果

從上例可以看出，示波器經(jīng)過(guò)“暗校準(zhǔn)”和修正后，消光比的測(cè)量準(zhǔn)確度得到了很大的提高。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了影響光發(fā)射機(jī)消光比測(cè)量的主要誤差來(lái)源，并給出了減小這些誤差項(xiàng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的解決辦法，對(duì)于促進(jìn)光發(fā)射機(jī)等光器件的研制生產(chǎn)及光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工，都具有積極的意義。

［1］ITU-T G.957-2006 與同步數(shù)字系列有關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)的光接口［S］.2006.

［2］IEC.IEC61280-2-2-2012 數(shù)字系統(tǒng):光眼圖、波形和消光比的測(cè)量［S］.2012.

［3］韋樂(lè)平.光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)［M］.北京:人民郵電出版社，1998.

［4］亢俊健，寧書(shū)年，蘇美開(kāi)，等.光收發(fā)模塊眼圖消光比及靈敏度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究［J］.激光雜志，2003，24(2):61-62.

［5］郭玉彬，霍佳雨，靳江濤，等.LiNbO3外調(diào)制器的10Gbit/s光纖傳輸系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程，2007，15(1):22-26.

［6］付永杰.數(shù)字示波器頻帶寬度的測(cè)量不確定度評(píng)定與分析［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2012，32(5):27-30.