光收發(fā)模塊時域特性測試仿真及實(shí)驗(yàn)教學(xué)

李明宇， 閻春生， 吳興坤， 龔 宇， 李 晴

(浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院 現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027)

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對光纖網(wǎng)絡(luò)通信的核心器件——光收發(fā)一體模塊的需求迅速增加。光收發(fā)模塊是實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用光纖傳輸?shù)年P(guān)鍵器件，并且越來越呈現(xiàn)出功能的復(fù)雜性和產(chǎn)品的多樣性[1-4]。當(dāng)前，光收發(fā)模塊技術(shù)向智能化、高速化和高密度互聯(lián)發(fā)展，智能SFP+模塊、10G光模塊以及并行光纖模塊將成為下一代光收發(fā)一體模塊的亮點(diǎn)[5-9]。

浙江大學(xué)信息工程(光電)本科專業(yè)的光纖通信實(shí)驗(yàn)課程安排在大學(xué)四年級上學(xué)期。學(xué)生在此前學(xué)習(xí)的課程大多是光通信基礎(chǔ)課(例如光通信技術(shù)、集成光電子課程)，對實(shí)際光通信系統(tǒng)缺乏認(rèn)識，很少涉及實(shí)際的光通信器件和使用光通信器件測試儀表。為了讓更多的學(xué)生接觸到最新、最全面的光通信技術(shù)，自2010年始，浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與Keysight、Anritsu、Tektronix以及國內(nèi)的41所測試儀表公司合作，利用光通信系統(tǒng)仿真軟件Optisystem，面向本科生開設(shè)了一門光通信實(shí)驗(yàn)課程——“光纖通信課程設(shè)計”[10-11]。在課程建設(shè)初期，聽取了華為、中興、朗訊、安捷倫等光通信企業(yè)的意見，與企業(yè)共同設(shè)計培養(yǎng)目標(biāo)、制訂教學(xué)大綱，并邀請諸多企業(yè)的工程師協(xié)助制訂教學(xué)計劃，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容充實(shí)、豐富，極大地促進(jìn)了學(xué)生對理論知識的理解及實(shí)際操作能力的提高。光收發(fā)模塊時域特性的測試實(shí)驗(yàn)是“光纖通信課程設(shè)計”課程中的一節(jié)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

了解并評估光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)性能的參數(shù)以及測試方案。光收發(fā)模塊的測試包括光譜測試(中心波長、峰值功率)、光功率測試(平均發(fā)射光功率)、光眼圖測試(消光比)和通過誤碼率測試，獲取光接收機(jī)靈敏度。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括:

(1) 掌握光譜儀的使用方法，利用光譜儀測試光發(fā)射機(jī)的光譜；

(2) 了解眼圖的形成原理，理解抖動產(chǎn)生的原理，學(xué)會利用眼圖來評估數(shù)字傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，學(xué)會利用眼圖觀察信號的抖動；

(3) 理解消光比的概念，掌握消光比的測試方法；

(4) 理解光接收機(jī)靈敏度的概念、掌握光接收機(jī)靈敏度的測試方法；

(5) 熟悉Optisystem軟件的使用，用軟件模擬光收發(fā)模塊時域特性測試，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

1.2.1 光發(fā)射機(jī)眼圖測試原理

眼圖方法是非常簡單和有效的評估數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的測量方法，被廣泛地應(yīng)用于評估無線系統(tǒng)和光纖數(shù)據(jù)鏈路的性能。眼圖測量的方法是利用眼圖儀在時域測試波形失真的情況。眼圖是三比特的NRZ碼，有8種可能圖樣的疊加，不是僅一次掃描的圖形。使用誤碼儀的碼型發(fā)生器產(chǎn)生眼圖測試時需要偽隨機(jī)數(shù)據(jù)信號。

在工程實(shí)際應(yīng)用中，能夠從眼圖中得到很多系統(tǒng)性能信息。眼圖張開的寬度指定了接收信號的抽樣間隔，在此間隔內(nèi)抽樣能最大限度地減少碼間串?dāng)_的影響，從而不發(fā)生誤碼。接收波形的最佳抽樣時間在眼睛張開最大處，眼睛張開的高度表示了噪聲容限或者抗噪聲的能力。信道的任何非線性傳輸特性都會導(dǎo)致產(chǎn)生眼圖的不對稱性，如果完全隨機(jī)的數(shù)據(jù)流通過理想的線性系統(tǒng)，張開的眼睛是不變的，也是對稱的。

圖1所示為光發(fā)射機(jī)特性測試原理。首先用光譜儀測出光發(fā)射機(jī)的光譜，判斷光源類別，并觀察用不同碼速調(diào)制光源后光譜的變化情況；然后用光眼圖儀測試消光比。

圖1 光發(fā)射機(jī)特性測試原理

消光比(ER)是評價光發(fā)射機(jī)性能的重要參數(shù)之一，是光發(fā)送系統(tǒng)在“0”比特時的輸出功率P0與在“1”比特時的輸出功率P1之比的對數(shù)值的10倍，用dB表示為

消光比可以從眼圖儀表上直接測出。雖然消光比越大則發(fā)射機(jī)性能越好，但是也要考慮信號的對稱性等因素。

1.2.2 光接收機(jī)靈敏度測試原理

靈敏度是光接收機(jī)的重要特性指標(biāo)之一，是在給定的誤碼率(BER)或信噪比條件下光接收機(jī)所能接收的最小光功率，反映光接收機(jī)接收微弱信號的能力。光接收機(jī)靈敏度測試原理如圖2所示。誤碼測試儀向光發(fā)射機(jī)送入測試信號，測試信號為偽隨機(jī)碼。調(diào)整光衰減器，逐步增大光衰減，使輸入光接收機(jī)的光功率逐步減小、系統(tǒng)處于誤碼狀態(tài)。然后，逐步減小光衰減器的衰減，逐漸增加光接收機(jī)的輸入光功率，使誤碼逐漸減少。當(dāng)在一定的觀察時間內(nèi)，使誤碼個數(shù)少于某一要求時，即達(dá)到系統(tǒng)所要求的誤碼率，此時測得光功率即為光接收機(jī)的最小可接收光功率。

圖2 光接收機(jī)靈敏度測試原理

1.3 實(shí)驗(yàn)用到的儀表和測試器件

實(shí)驗(yàn)用的設(shè)備都是光通信企業(yè)和科研院(所)測試用的儀器。由于儀器比較昂貴，所以本實(shí)驗(yàn)課程使用的儀器有一部分來自于教學(xué)和科研設(shè)備，一部分從光通信測試儀表公司租借。實(shí)驗(yàn)儀器包括:用于測量光發(fā)射機(jī)特性的眼圖儀和測量光接收機(jī)特性的眼圖儀；用于測量光發(fā)射機(jī)光譜和功率特性的光譜儀和光功率計；法蘭；光纖接頭清潔器；連接儀表和測試器件的電纜和光纖跳線等。

2 實(shí)驗(yàn)原理以及Optisystem軟件仿真

本實(shí)驗(yàn)可以利用Optisystem軟件進(jìn)行仿真。根據(jù)圖1所示光發(fā)射機(jī)特性測試原理構(gòu)建軟件仿真原理圖(見圖3)。光發(fā)射機(jī)由激光器和馬赫-曾德爾調(diào)制器構(gòu)成，信號發(fā)生器由偽隨機(jī)碼發(fā)生器和非歸零碼(NRZ)脈沖發(fā)生器構(gòu)成。用2個光譜儀分別測試激光器在調(diào)制前后的輸出光譜特性。

2.1 光發(fā)射機(jī)光譜特性測試仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 光發(fā)射機(jī)光譜特性仿真原理

首先觀察激光器在調(diào)制前后譜線寬度的變化。激光器輸出光譜仿真結(jié)果如圖4(a)所示。因?yàn)楣庾V中只有1個峰值，可知發(fā)射機(jī)的光源為DFB激光器，中心波長1 550 nm，激光器的線寬0.08 pm。在10 Gbit/s調(diào)制速率下，激光器的線寬展寬約為0.08 nm，如圖4(b)所示。調(diào)制后激光器線寬被展寬，會增加色散、引起碼間干擾，進(jìn)而增大光通信系統(tǒng)中的誤碼率。

圖4 光發(fā)射機(jī)的光譜

2.2 光發(fā)射機(jī)眼圖測試仿真實(shí)驗(yàn)

利用Optisystem軟件設(shè)計的光發(fā)射機(jī)眼圖仿真方案如圖5所示。

圖5 眼圖測量法的基本原理

將圖3中的光譜儀改成眼圖儀就可仿真光發(fā)射機(jī)眼圖測試實(shí)驗(yàn)。為了保證測試結(jié)果的一致性，眼圖測試需要加入濾波器，濾波器的帶寬為碼速的0.75倍。

用誤碼儀中的碼型發(fā)生器作為信號發(fā)生器，偽隨機(jī)比特流發(fā)生器的數(shù)據(jù)輸出端通過光纖鏈路連接到示波器的垂直輸入端，時鐘輸出端觸發(fā)示波器水平掃描(示波器的掃描周期應(yīng)為碼元寬度或其整數(shù)倍)，得到的眼圖如圖6所示。從眼圖上可以看出，光發(fā)射機(jī)輸出的眼圖最大Q值為194.82，最小的誤碼率為0。

2.3 光接收機(jī)靈敏度測試仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖2所示光接收機(jī)靈敏度測試原理設(shè)計了軟件仿真原理圖(見圖7)。通過調(diào)諧可調(diào)光衰減器，可以改變?nèi)肷涞焦饨邮諜C(jī)上的光功率，從而得到不同入射光功率下的誤碼率(見圖8)。

圖6 光發(fā)射機(jī)眼圖模擬測試結(jié)果

圖7 光接收機(jī)靈敏度測試原理圖

圖8 誤碼率隨入射光功率變化曲線

從圖8可知，誤碼率隨著接收機(jī)接收到的功率增大而減小，定義10-12誤碼率下為接收機(jī)的靈敏度，接收機(jī)靈敏度約為-21 dBm。從圖9可見，當(dāng)接收機(jī)接收到的光功率為-22.6 dBm時，誤碼率在10-4，眼圖的消光比很小，Q值只有3.7。

圖9 接收機(jī)光功率為-22.6 dBm時的眼圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 光發(fā)射機(jī)光譜特性測試

本實(shí)驗(yàn)用到2種光發(fā)射機(jī)模塊，分別為電吸收調(diào)制的DFB激光器發(fā)射機(jī)和直接調(diào)制的FP激光器發(fā)射機(jī)，利用光譜儀測量兩種激光器的光譜以區(qū)分它們(見圖10)。按照圖1的方案，連接光譜儀、信號發(fā)生器與被測試的光發(fā)射機(jī)。

圖10 2個光發(fā)射機(jī)光譜特性測試圖

由圖10(a)可見，在光譜上可觀察到多個縱模，可以判斷是FP激光器，峰值最高的波長為中心波長，中心波長為1 315.56 nm，峰值功率為-7.21 dBm。圖10(b)顯示DFB激光器在光譜上是單一縱模，中心波長為1 537.32 nm，峰值功率為-2.8 dBm。

在DFB激光器發(fā)射機(jī)上加10 Gbit/s的調(diào)制信號和不加調(diào)制信號的輸出光譜如圖11所示，光譜儀的分辨率為50 pm。從圖11中可以明顯看出：當(dāng)加10 Gbit/s的調(diào)制信號時，光源的光譜相對于無調(diào)制時明顯展寬約80 pm，中心波長位置漂移約50 pm，中心波長的輸出功率提高了約2.1 dBm，與圖4的仿真結(jié)果是一致的。

圖11 光發(fā)射機(jī)在10 GBit/s調(diào)制和無調(diào)制下的光譜

3.2 光發(fā)射機(jī)特性測試的結(jié)果分析

按照圖5組建眼圖測試系統(tǒng)。為測試10 Gbit/s的眼圖，所以眼圖儀的濾波器帶寬選擇7.5 GHz，發(fā)射機(jī)的光功率為-14.5 dBm。調(diào)制速率為10 Gbit/s，實(shí)驗(yàn)測得消光比約為10.44 dB，信號幅度的10% ～90%的時間間隔為上升沿，約為56 ps。

3.3 光接收機(jī)特性測試的結(jié)果分析

根據(jù)圖7構(gòu)建光接收機(jī)靈敏度測試系統(tǒng)。分別測試了調(diào)制速率為2.5 Gbit/s、5 Gbit/s和10 Gbit/s時光接收機(jī)的誤碼率，如圖12所示。為了測試方便，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，估算出在誤碼率為10-12時接收機(jī)的靈敏度分別為-14.518 dBm，-14.187 dBm和-13.057 dBm。可見，隨著接收機(jī)接收到的光功率降低，誤碼率是增加的。為了降低誤碼率，需要增加接收機(jī)接收到的光功率。從圖12的測試結(jié)果可知，當(dāng)傳輸?shù)拇a速增加時，為了獲得相同的誤碼率，需要提高發(fā)射機(jī)的光功率。

圖12 不同調(diào)制速率下接收機(jī)誤碼率曲線

4 結(jié)語

光收發(fā)模塊時域特性測試仿真實(shí)驗(yàn)利用商用光通信仿真軟件和科研設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，使教學(xué)和科研相結(jié)合，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中掌握了光收發(fā)模塊的工程測試方案，了解了行業(yè)的最新技術(shù)，更加主動學(xué)習(xí)。該仿真實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、思維能力和創(chuàng)新精神亦大有裨益。

致謝：本文受到教育部高等學(xué)校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會第三批全國高校光電專業(yè)教育教學(xué)熱點(diǎn)難點(diǎn)教研項(xiàng)目的資助。

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