消光比參數的溯源方法

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

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

消光比是光發射機傳輸的重要性能參數，表征了最佳偏置條件和如何有效地將光發射可用功率轉換到調制功率電平。消光比能直接影響光接收機靈敏度和誤碼率[1]，在傳統的直接調制、幅度調制中，消光比更用于直觀地指示光傳輸系統的傳輸性能優劣[2]，因此消光比的準確測量和溯源對光發射機綜合性能的準確評價至關重要。且目前對于同一光發射機的消光比，不同測量參考接收機測得的結果不盡相同[3，4]，消光比測量的準確性和一致性已成為工業領域關于的焦點。隨著設計和測試成本要求的提高，這一挑戰變得更加明顯。

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。標準 IEC 61280—2—2：2008[5]描述了光眼圖的測量步驟。該標準建議消光比需通過示波器的眼圖進行測量，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，裝置如圖1所示。

但是由于目前沒有消光比準確度經過嚴格標定的數字信號源，無法對眼圖儀進行校準溯源。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現不確定度計算，從而無法對消光比進行測量和溯源。

本文從IEC 61280—2—2：2008的消光比基本定義出發，搭建了一個消光比穩定的光數字信號發射機作為信號源，并構建了一個光電轉換和電示波器獨立的測量裝置，分級實現溯源[6]。同時將本裝置和眼圖儀的測量結果進行比對，驗證兩者的一致性。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 實驗原理

實驗裝置如圖2所示。光發射機由光源、馬赫-曾德爾調制器（MZM）、脈沖碼型發生器、可調光衰減器等組成。激光器的中心波長為1550.12nm，輸出光功率為-6dBm。脈沖碼型發生器產生非幀結構、載荷為PRBS-15的電信號，速率可調，輸出幅度可調，輸出電信號未經放大直接加載至MZM調制器。MZM調制器輸出經數字調制的光信號，其偏置電壓由直流穩壓電源控制。可調光衰減器用以保證進入光接收機的光功率恒定。

一般的推挽式結構的MZM調制器[7]的簡化傳遞函數可以表示為：

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

根據MZM調制器的傳遞函數，結合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。調制信號表現為以VBias為中心，向前后伸展VRF/2的起伏信號[8]，如圖3所示。通過調節調制器的偏置點和輸入射頻信號輸入信號幅度可調節“1”電平和“0”電平的位置，進而調節消光比大小。最終得到光發射機的消光比輸出范圍為12dB以上，穩定度為0.03dB。

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

為了驗證寬帶光電變換對測量結果的影響，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行消光比測量，并將兩次結果進行比對。

由于接收機在整個比特周期對信號值進行積分，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。對此同樣進行了實驗驗證，構建了加濾波器和不加濾波器兩種測量場景，并對測量結果進行比對。

由于光口眼圖儀內部結構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。因此二者之間進行比對溯源是合理可行的技術方法。

3 實驗步驟和結果

光發射機經過一定預熱時間達到穩定輸出后，先將通信信號分析儀設置為眼圖模式，在光口眼圖方式下讀取消光比示值ERo，并設置平均次數達100次以上，以此來消除系統隨機誤差。然后將通信信號分析儀設置為示波器模式，光信號分別經過20GHz和50GHz的光電探測器之后，由電示波器讀取“0”電平和“1”電平的對應示值（V0、V1），并通過公式 ERe=10log10（V1/V0）進行計算得到 ERe1和 ERe2。同時分別設置脈沖碼型發生器的輸出信號幅度為1.0Vpp和1.5Vpp，以驗證不同消光比值條件下兩種方法的測量一致性。實驗結果見表1。

圖4和5是添加和不添加濾波器的測量結果，添加濾波器后的眼圖，更加清晰穩定，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果比對

4 實驗結果分析

由上述實驗結果可以看出，根據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量級，可以忽略不計。同理，在覆蓋發射機帶寬需求的前提下，由光電探測器帶寬的大小和參考接收機帶寬的不一致引入的影響也可以忽略不計。在實際的不確定度評定中，可以作為可忽略項。因此將光口的消光比數值溯源到電口的電壓值上是可行的。

5 結束語

綜上所述，本文實現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上的方法，從原理和實驗兩方面驗證了溯源方法的可行性。構造了光電轉換和電示波器獨立的測量裝置，采用消光比穩定的數字信號作為被測源，以保證測量結果的有效。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，同時驗證了光電探測器寬帶和參考接收機帶寬對測量結果的影響。最后將電口測量方法與光口眼圖儀方法的測量結果進行比對，實驗結果證明兩者具有一致性，可以用這種方法實現光口消光比參數溯源到電壓值上。消光比參數溯源的提出，將增加消光比測量的可信度和準確性，同時促進發射機性能的優化，為光傳輸系統的高性能運行提供了保障。

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[5]IEC 61280-2-2：2008.Fiber optic communication subsystem test procedures-Part 2-2：digital systems-optical eye pattern，waveform and extinction ratio measurement[S].

[6]Inagakia K，Kawanishi T，Izutsu M.Optoelectronic frequency response measurement of photodiodes by using high-extinction ratio optical modulator [J].IEICE Electronics Express，2012，9（4）：220～226.

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[8]Winzer P，Essiambre R.Advanced optical modulation formats [J].Proceedings of the IEEE，2006，94（5）：952～985.

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

國家質量監督檢驗檢疫總局時間頻率計量基準重點實驗室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。

1000-7202（2017）03-0041-03