消光比參數(shù)的溯源方法

繆新育 陳龍泉 黃 震 許 偉

（中國信息通信研究院，北京 100191）

消光比參數(shù)的溯源方法

繆新育 陳龍泉 黃 震 許 偉

（中國信息通信研究院，北京 100191）

對通信信號分析儀的光口消光比參數(shù)進(jìn)行溯源研究，提出了將光口消光比參數(shù)溯源到示波器電壓參數(shù)上的方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先搭建了消光比穩(wěn)定的數(shù)字信號發(fā)射機(jī)作為被測源。其次采用帶寬足夠的光電探測器XPDV2150R（DC-50GHz 1550nm）將光信號轉(zhuǎn)變到電信號，來消除頻響對測量結(jié)果的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光電探測器帶寬和接收機(jī)帶寬對測量結(jié)果的影響。最后通過垂直幅度可溯源的電示波器對電信號進(jìn)行消光比測量。將測量結(jié)果和通過通信信號分析儀光口眼圖功能測得的結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證兩者的一致性，最終實(shí)現(xiàn)將消光比參數(shù)溯源到電壓參數(shù)上。

溯源 消光比 頻響 帶寬

AbstractThe traceability of Extinction Ratio（ER）measurement of Communication signal analyzer is analyzed.The method that optical ER measurement is traced to voltage parameter is demonstrated and verified by experiment.Firstly，a digital signal transmitter with stable ER is established for measurement.Then optical detector XPDV2150R（DC-50 GHz 1 550 nm）with enough bandwidth is adopted for O/E conversion to avoid the influence of frequency response，and the bandwidth effect of optical detector and receiver on the measurement results is verified by experiments.At last，the ER of electrical signal is measured by oscilloscope whose vertical amplitude is traceable.The measurement result and the results measured by Communication signal analyzer directly is compared，and the agreement of them is verified.The ER parameter is traced to voltage parameter finally.

Key wordsTraceability Extinction Ratio Frequency response Bandwidth

1 引言

消光比是光發(fā)射機(jī)傳輸?shù)闹匾阅軈?shù)，表征了最佳偏置條件和如何有效地將光發(fā)射可用功率轉(zhuǎn)換到調(diào)制功率電平。消光比能直接影響光接收機(jī)靈敏度和誤碼率[1]，在傳統(tǒng)的直接調(diào)制、幅度調(diào)制中，消光比更用于直觀地指示光傳輸系統(tǒng)的傳輸性能優(yōu)劣[2]，因此消光比的準(zhǔn)確測量和溯源對光發(fā)射機(jī)綜合性能的準(zhǔn)確評價至關(guān)重要。且目前對于同一光發(fā)射機(jī)的消光比，不同測量參考接收機(jī)測得的結(jié)果不盡相同[3，4]，消光比測量的準(zhǔn)確性和一致性已成為工業(yè)領(lǐng)域關(guān)于的焦點(diǎn)。隨著設(shè)計和測試成本要求的提高，這一挑戰(zhàn)變得更加明顯。

目前測量消光比最常用的方法是通過通信信號分析儀的光口眼圖功能（簡稱眼圖儀）顯示眼圖來測量。標(biāo)準(zhǔn) IEC 61280—2—2：2008[5]描述了光眼圖的測量步驟。該標(biāo)準(zhǔn)建議消光比需通過示波器的眼圖進(jìn)行測量，該示波器需具有3dB衰減頻率為0.75倍比特率的4階貝塞爾-托馬斯頻響系統(tǒng)，裝置如圖1所示。

但是由于目前沒有消光比準(zhǔn)確度經(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定的數(shù)字信號源，無法對眼圖儀進(jìn)行校準(zhǔn)溯源。且商用的眼圖儀無法給出具體的電路圖，故從計量的角度，無法通過上述方法實(shí)現(xiàn)不確定度計算，從而無法對消光比進(jìn)行測量和溯源。

本文從IEC 61280—2—2：2008的消光比基本定義出發(fā)，搭建了一個消光比穩(wěn)定的光數(shù)字信號發(fā)射機(jī)作為信號源，并構(gòu)建了一個光電轉(zhuǎn)換和電示波器獨(dú)立的測量裝置，分級實(shí)現(xiàn)溯源[6]。同時將本裝置和眼圖儀的測量結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證兩者的一致性。通過此方法將通信信號分析儀的光口眼圖消光比測量溯源到示波器電壓值上。

2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。光發(fā)射機(jī)由光源、馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）、脈沖碼型發(fā)生器、可調(diào)光衰減器等組成。激光器的中心波長為1550.12nm，輸出光功率為-6dBm。脈沖碼型發(fā)生器產(chǎn)生非幀結(jié)構(gòu)、載荷為PRBS-15的電信號，速率可調(diào)，輸出幅度可調(diào)，輸出電信號未經(jīng)放大直接加載至MZM調(diào)制器。MZM調(diào)制器輸出經(jīng)數(shù)字調(diào)制的光信號，其偏置電壓由直流穩(wěn)壓電源控制?？烧{(diào)光衰減器用以保證進(jìn)入光接收機(jī)的光功率恒定。

一般的推挽式結(jié)構(gòu)的MZM調(diào)制器[7]的簡化傳遞函數(shù)可以表示為：

式中：Vπ——調(diào)制器的P-V調(diào)制曲線的半波電壓，半波電壓（射頻與直流半波電壓近似認(rèn)為相同）；VBias——偏置電壓；Vin——輸入信號電壓。

根據(jù)MZM調(diào)制器的傳遞函數(shù)，結(jié)合IEC 61280—2—2：2008中消光比的定義可得消光比的公式如下：

其中，VMark和VSpace為分別輸入信號“1”電平和“0”電平的幅度，分別稱為傳號電平與空號電平。一般情況下，我們設(shè)定VRF=VMark-VSpace，VBias=1/2（VMark+VSpace）。由上式可知，消光比的大小與加載至調(diào)制器上的偏置電壓和輸入信號的“1”和“0”電平幅度直接相關(guān)。調(diào)制信號表現(xiàn)為以VBias為中心，向前后伸展VRF/2的起伏信號[8]，如圖3所示。通過調(diào)節(jié)調(diào)制器的偏置點(diǎn)和輸入射頻信號輸入信號幅度可調(diào)節(jié)“1”電平和“0”電平的位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)消光比大小。最終得到光發(fā)射機(jī)的消光比輸出范圍為12dB以上，穩(wěn)定度為0.03dB。

將信號源的數(shù)字光信號先經(jīng)過光電探測器XPDV2150R（DC-50GHz 1 550nm），再導(dǎo)入通信信號分析儀的電示波器進(jìn)行消光比測量。在測量之前，示波器進(jìn)行暗電流校準(zhǔn)，以消除光電探測器暗電流對測量結(jié)果的影響。最終得到的ERe即為數(shù)字光信號的消光比。

為了驗(yàn)證寬帶光電變換對測量結(jié)果的影響，選取了20GHz和50GHz兩個帶寬光電探測器依次放入測量裝置中進(jìn)行消光比測量，并將兩次結(jié)果進(jìn)行比對。

由于接收機(jī)在整個比特周期對信號值進(jìn)行積分，這一積分過程由4階貝塞爾-托馬斯濾波器完成。雖然濾波器濾去了脈沖信號的高頻成分，使得輸入信號的上升沿和下降沿展寬，但對眼圖中心的幅度幾乎不影響。對此同樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，構(gòu)建了加濾波器和不加濾波器兩種測量場景，并對測量結(jié)果進(jìn)行比對。

由于光口眼圖儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣包含光電探測器和電示波器兩部分，原理與電口測量方法一致，僅僅是信號處理存在差異。因此二者之間進(jìn)行比對溯源是合理可行的技術(shù)方法。

3 實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果

光發(fā)射機(jī)經(jīng)過一定預(yù)熱時間達(dá)到穩(wěn)定輸出后，先將通信信號分析儀設(shè)置為眼圖模式，在光口眼圖方式下讀取消光比示值ERo，并設(shè)置平均次數(shù)達(dá)100次以上，以此來消除系統(tǒng)隨機(jī)誤差。然后將通信信號分析儀設(shè)置為示波器模式，光信號分別經(jīng)過20GHz和50GHz的光電探測器之后，由電示波器讀取“0”電平和“1”電平的對應(yīng)示值（V0、V1），并通過公式 ERe=10log10（V1/V0）進(jìn)行計算得到 ERe1和 ERe2。同時分別設(shè)置脈沖碼型發(fā)生器的輸出信號幅度為1.0Vpp和1.5Vpp，以驗(yàn)證不同消光比值條件下兩種方法的測量一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖4和5是添加和不添加濾波器的測量結(jié)果，添加濾波器后的眼圖，更加清晰穩(wěn)定，毛刺更少。排除毛刺讀取“1”電平和“0”電平，兩者消光比分別為10.05dB和10.20dB。

表1 各速率下兩種方式測量結(jié)果比對

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，根據(jù)上述方法在電口測量得到的消光比與光口上直接讀取的消光比基本一致，偏差比測量值約小一個數(shù)量級，可以忽略不計。同理，在覆蓋發(fā)射機(jī)帶寬需求的前提下，由光電探測器帶寬的大小和參考接收機(jī)帶寬的不一致引入的影響也可以忽略不計。在實(shí)際的不確定度評定中，可以作為可忽略項(xiàng)。因此將光口的消光比數(shù)值溯源到電口的電壓值上是可行的。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文實(shí)現(xiàn)了通信信號分析儀光口消光比測量溯源到示波器電壓參數(shù)上的方法，從原理和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了溯源方法的可行性。構(gòu)造了光電轉(zhuǎn)換和電示波器獨(dú)立的測量裝置，采用消光比穩(wěn)定的數(shù)字信號作為被測源，以保證測量結(jié)果的有效。采用足夠帶寬的光電探測器XPDV2150R（DC-50GHz 1550 nm）來消除頻響的影響，同時驗(yàn)證了光電探測器寬帶和參考接收機(jī)帶寬對測量結(jié)果的影響。最后將電口測量方法與光口眼圖儀方法的測量結(jié)果進(jìn)行比對，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明兩者具有一致性，可以用這種方法實(shí)現(xiàn)光口消光比參數(shù)溯源到電壓值上。消光比參數(shù)溯源的提出，將增加消光比測量的可信度和準(zhǔn)確性，同時促進(jìn)發(fā)射機(jī)性能的優(yōu)化，為光傳輸系統(tǒng)的高性能運(yùn)行提供了保障。

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Trace Method of Extinction Ratio Parameters

MIAO Xin-yu CHEN Long-quan HUANG Zhen XU Wei
（Telecom Technology Labs，China Academy of Information and Communication Technology，Beijing 100191，China）

TB96

A

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.03.09

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局時間頻率計量基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2016年度開放課題（41-AKYKF1610）

2017-02-23，

2017-06-08

繆新育（1983-），男，工程師，碩士，主要研究方向：光傳輸和時鐘同步技術(shù)。

1000-7202（2017）03-0041-03