高速率光信號消光比測量的誤差分析

費豐，劉超，彭博

(中國電子科技集團公司電子第四十一研究所，山東青島 266555)

0 引言

我國目前的光纖通信系統骨干網和軍用通信網采用的是SDH(同步數字體系)傳輸體制，傳輸速率大多數呈2.5 Gbit/s 水平，有部分地區和軍用光纖網開通了10 Gbit/s 系統，少數經濟發達地區已部署了40 Gbit/s 的試驗系統，信號傳輸速率不斷提升。在高速光纖通信系統中，當前國產光收發模塊的最高傳輸速率已經達到10 Gbit/s。根據ITU-T G.957-2006 建議中對STM-64 光接口規定的參數，對光信號消光比要求最小為8.2 dB［1］，因此消光比參數是器件生產、系統集成和應用等領域都非常關心的重要參數。

1 消光比的定義和測量過程

消光比(Extinction ratio，ER)是指光信號在傳輸過程中，傳號(邏輯‘1’電平)時的平均光功率與空號(邏輯‘0’電平)時的平均光功率的比值。在實際應用中更多的是采用對數方式表示(單位為dB)，或百分比方式表示，數學表達式為

目前國內外對于消光比的測量一般都是采用IEC61280-2-2-2008 中推薦的基于示波器眼圖的測量方法，即先用一個高速光接收機對光發射機的輸出光信號進行光電轉換，再用示波器對轉換后的電信號進行測量［2］。圖1 是其測量原理框圖。

圖1 消光比測量原理框圖

所謂“眼圖”，就是由解調后經過低通濾波器輸出的基帶信號，以碼元定時作為同步信號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整到碼元間隔T 的整數倍。在這種情況下，示波器熒光屏上就能顯示出一種由多個隨機碼元波形所共同形成的穩定圖形，類似于人眼(如圖2所示)，因此稱為眼圖。從理論上講，一個光纖傳輸系統的傳遞函數只要滿足某一特定公式就可消除碼間串擾。但在實際系統中要想做到這一點非常困難，甚至是不可能的。這是因為碼間串擾與發送濾波器特性、信道特性、接收濾波器特性等因素有關，在工程實際中，如果部件調試不理想或信道特性發生變化，都可能使傳輸系統的傳遞函數改變，從而引起系統性能變壞。在實踐中，人們通過對“眼圖”的測量計算出消光比，從而估計光纖傳輸系統優劣程度，也可以根據測量結果對光發射機或接收機的特性加以調整，以減小碼間串擾，改善系統的傳輸性能。

圖2 “眼圖”示意圖

實際測量時，利用示波器測得光發射模塊全“0”碼時相應電壓值以及輸入碼源信號后示波器“眼圖”上頂部線與示波器基線間的電壓值，然后根據公式計算出ER。需要注意的是，這時的眼圖應符合相關要求。

2 消光比測量過程中的主要誤差來源及解決辦法

根據消光比的測量過程分析，其測量準確度主要取決于光接收機和示波器本身的性能，主要誤差來源包括光電探測器的本底噪聲、電路噪聲、測量設備的頻率響應和示波器測量信號幅度的準確度［3］。下面分別就這些誤差源對消光比測量的影響加以介紹。

2.1 噪聲產生的偏置

2.1.1 對結果的影響

由于光電探測器內部的暗電流或探測器之后的放大器等電路都存在一定的噪聲，因此示波器在沒有探測器光信號輸入的情況下通常也會測得微弱的輸出信號，從而產生偏置，這種偏置電壓會使示波器上測得的眼圖發生位移，影響消光比測量結果［2，4］。下面舉例說明這種偏置是如何對消光比測量造成影響的。

假設某光信號眼圖如圖3 中左側所示，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。將此光信號用一個光電變換增益為500 V/W、暗信號輸出(偏置)為10 mV 的光接收機進行測量，在示波器上得到的就是圖3 中右側所示的眼圖測量結果:邏輯‘1’電平由理想情況下的500 mV變成了510 mV，邏輯‘0’電平由理想狀態下的25 mV 變成了35 mV，即其消光比為11.6 dB 或14.6，測量誤差高達1.4 dB 或27%。由此可見，要提高消光比參數的測量準確度必須解決儀器內部噪聲帶來的影響。

圖3 偏置對消光比測量的影響

2.1.2 解決的辦法

針對這一問題，首先應選擇具有高帶寬、低噪聲前置放大器的光電探測器，探測器工作時可通過電制冷等方式降低其工作環境溫度并保持溫度穩定，以減小探測器的暗電流輸出;其次在測量軟件流程上采取措施:在每次測量前，在光接收機沒有光輸入的情況下進行系統“暗校準”，即將此時的測量設備引入的偏置電壓測量出來，并作為參考值;然后在實際測量過程中，將此參考值從測量值中扣除，將修正后的結果作為最終測量結果。

2.2 光接收機的頻率響應

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

2.2.1 對結果的影響

在ITU 等國際組織的文件規范中，對光接收機的頻率響應規定允差范圍，要求符合四階貝賽爾-托馬森響應［1］。光接收機的頻響通常可以分為直流分量和交流分量兩個部分，其中直流分量的偏差是由其內部的微波開關、半剛電纜等微波線路帶來的，這會使測量眼圖產生垂直幅度上的偏移，直接影響消光比測量結果。不過這種偏差是系統性的，可以通過系統校準予以消除。

光接收機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節引起的，這會使眼圖的形狀發生改變，從而影響消光比測量，特別是在存在“過沖”和“下沖”的情況下，影響更為嚴重［2，5］。

圖4 中的眼圖是一個理想的光接收機的頻率響應曲線和輸出眼圖，可以看出其眼圖軌跡單一而清晰，可認為沒有任何偏差或缺陷，消光比為無窮大。圖5則是一個非理想的光接收機的頻率響應曲線和輸出眼圖，其眼圖軌跡明顯加寬，眼的張開度變小，而且明顯存在“過沖”現象。根據消光比的定義，未經校準的光接收機測得的消光比準確度明顯下降。通過試驗我們可以得知，一個光接收機的中低頻段頻率響應會對輸出信號眼圖產生重要影響，低頻部分頻響會使眼圖產生幅度上的偏移，中間頻段(即3 dB 帶寬附近)的頻響會帶來明顯的圖案相關抖動，使眼圖軌跡加寬，產生“過沖”或“下沖”，而高頻部分的頻響對眼圖的形狀和位置基本沒有影響。

圖4 理想的光接收機輸出的信號眼圖

圖5 一個未經校準的光接收機輸出的信號眼圖

2.2.2 解決辦法

要解決這一問題，應對光接收機的頻率響應進行準確測量，計算出其在不同工作速率所對應的頻率點處的頻響偏差，然后在用示波器進行消光比測量時，將這些頻響偏差作為修正因子，對測量結果進行修正。同時在實際測量中，還應根據示波器上眼圖的具體形狀來判定是否存在“過沖”或“下沖”問題，對于存在這種現象的，改變消光比測量時選擇的采樣區間，或是調整測量濾波器，以減小其影響。

2.3 示波器信號波形幅度測量準確度

2.3.1 對結果的影響

從消光比的定義看需要測量邏輯‘1’和‘0’高、低兩個信號電平，示波器的幅度測量準確度會直接影響這兩個信號電平的測量［6］。下面以一臺安捷倫公司的86100C 示波器測量消光比為例，分別測量兩個消光比為10 dB 和16 dB 的光信號。該示波器的幅度測量誤差為±25 μW±2%讀數，其中的±25 μW 實際就是示波器的偏置。

表1 修正前的測量結果

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

2.3.2 解決辦法

一般可以采取實時校準加軟件修正的辦法來降低示波器幅度測量準確度對消光比測量結果的影響。具體做法是:在每次正式測量開始前，先執行系統“暗校準”，測出示波器的偏置，并在測量結果中予以扣除;經過校準后可以將86100C 示波器的偏置影響減小到±2 μW 以下;同時用一臺標準光功率計對86100C的幅度誤差(光功率測量誤差)進行實時標定，在預期的幅度測量范圍內得到一組不同量程的校準數據，并使用這組校準數據對測量結果進行修正，從而將示波器幅度測量誤差減小了0.5%左右。同樣按上面的例子計算，結果見表2。

表2 修正后的測量結果

從上例可以看出，示波器經過“暗校準”和修正后，消光比的測量準確度得到了很大的提高。

3 結論

本文詳細分析了影響光發射機消光比測量的主要誤差來源，并給出了減小這些誤差項對測量結果影響的解決辦法，對于促進光發射機等光器件的研制生產及光纖通信系統的設計施工，都具有積極的意義。

［1］ITU-T G.957-2006 與同步數字系列有關的設備和系統的光接口［S］.2006.

［2］IEC.IEC61280-2-2-2012 數字系統:光眼圖、波形和消光比的測量［S］.2012.

［3］韋樂平.光同步數字傳輸網［M］.北京:人民郵電出版社，1998.

［4］亢俊健，寧書年，蘇美開，等.光收發模塊眼圖消光比及靈敏度關系的實驗研究［J］.激光雜志，2003，24(2):61-62.

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

［6］付永杰.數字示波器頻帶寬度的測量不確定度評定與分析［J］.宇航計測技術，2012，32(5):27-30.