光收發模塊時域特性測試仿真及實驗教學

李明宇， 閻春生， 吳興坤， 龔 宇， 李 晴

(浙江大學 光電科學與工程學院 現代光學儀器國家重點實驗室， 浙江 杭州 310027)

隨著互聯網應用范圍的擴大，對光纖網絡通信的核心器件——光收發一體模塊的需求迅速增加。光收發模塊是實現密集波分復用光纖傳輸的關鍵器件，并且越來越呈現出功能的復雜性和產品的多樣性[1-4]。當前，光收發模塊技術向智能化、高速化和高密度互聯發展，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一體模塊的亮點[5-9]。

浙江大學信息工程(光電)本科專業的光纖通信實驗課程安排在大學四年級上學期。學生在此前學習的課程大多是光通信基礎課(例如光通信技術、集成光電子課程)，對實際光通信系統缺乏認識，很少涉及實際的光通信器件和使用光通信器件測試儀表。為了讓更多的學生接觸到最新、最全面的光通信技術，自2010年始，浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室與Keysight、Anritsu、Tektronix以及國內的41所測試儀表公司合作，利用光通信系統仿真軟件Optisystem，面向本科生開設了一門光通信實驗課程——“光纖通信課程設計”[10-11]。在課程建設初期，聽取了華為、中興、朗訊、安捷倫等光通信企業的意見，與企業共同設計培養目標、制訂教學大綱，并邀請諸多企業的工程師協助制訂教學計劃，使實驗教學內容充實、豐富，極大地促進了學生對理論知識的理解及實際操作能力的提高。光收發模塊時域特性的測試實驗是“光纖通信課程設計”課程中的一節實驗。

1 實驗設計

1.1 實驗目的

了解并評估光發射機和接收機性能的參數以及測試方案。光收發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，獲取光接收機靈敏度。

實驗內容包括:

(1) 掌握光譜儀的使用方法，利用光譜儀測試光發射機的光譜；

(2) 了解眼圖的形成原理，理解抖動產生的原理，學會利用眼圖來評估數字傳輸系統的數據傳輸能力，學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) 理解光接收機靈敏度的概念、掌握光接收機靈敏度的測試方法；

(5) 熟悉Optisystem軟件的使用，用軟件模擬光收發模塊時域特性測試，并將模擬結果與實驗結果相對比。

1.2 實驗原理

1.2.1 光發射機眼圖測試原理

眼圖方法是非常簡單和有效的評估數字傳輸系統數據處理能力的測量方法，被廣泛地應用于評估無線系統和光纖數據鏈路的性能。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生器產生眼圖測試時需要偽隨機數據信號。

在工程實際應用中，能夠從眼圖中得到很多系統性能信息。眼圖張開的寬度指定了接收信號的抽樣間隔，在此間隔內抽樣能最大限度地減少碼間串擾的影響，從而不發生誤碼。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致產生眼圖的不對稱性，如果完全隨機的數據流通過理想的線性系統，張開的眼睛是不變的，也是對稱的。

圖1所示為光發射機特性測試原理。首先用光譜儀測出光發射機的光譜，判斷光源類別，并觀察用不同碼速調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 光發射機特性測試原理

消光比(ER)是評價光發射機性能的重要參數之一，是光發送系統在“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射機性能越好，但是也要考慮信號的對稱性等因素。

1.2.2 光接收機靈敏度測試原理

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

圖2 光接收機靈敏度測試原理

1.3 實驗用到的儀表和測試器件

實驗用的設備都是光通信企業和科研院(所)測試用的儀器。由于儀器比較昂貴，所以本實驗課程使用的儀器有一部分來自于教學和科研設備，一部分從光通信測試儀表公司租借。實驗儀器包括:用于測量光發射機特性的眼圖儀和測量光接收機特性的眼圖儀；用于測量光發射機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 實驗原理以及Optisystem軟件仿真

本實驗可以利用Optisystem軟件進行仿真。根據圖1所示光發射機特性測試原理構建軟件仿真原理圖(見圖3)。光發射機由激光器和馬赫-曾德爾調制器構成，信號發生器由偽隨機碼發生器和非歸零碼(NRZ)脈沖發生器構成。用2個光譜儀分別測試激光器在調制前后的輸出光譜特性。

2.1 光發射機光譜特性測試仿真實驗

圖3 光發射機光譜特性仿真原理

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

圖4 光發射機的光譜

2.2 光發射機眼圖測試仿真實驗

利用Optisystem軟件設計的光發射機眼圖仿真方案如圖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射機眼圖測試實驗。為了保證測試結果的一致性，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生器作為信號發生器，偽隨機比特流發生器的數據輸出端通過光纖鏈路連接到示波器的垂直輸入端，時鐘輸出端觸發示波器水平掃描(示波器的掃描周期應為碼元寬度或其整數倍)，得到的眼圖如圖6所示。從眼圖上可以看出，光發射機輸出的眼圖最大Q值為194.82，最小的誤碼率為0。

2.3 光接收機靈敏度測試仿真實驗

根據圖2所示光接收機靈敏度測試原理設計了軟件仿真原理圖(見圖7)。通過調諧可調光衰減器，可以改變入射到光接收機上的光功率，從而得到不同入射光功率下的誤碼率(見圖8)。

圖6 光發射機眼圖模擬測試結果

圖7 光接收機靈敏度測試原理圖

圖8 誤碼率隨入射光功率變化曲線

從圖8可知，誤碼率隨著接收機接收到的功率增大而減小，定義10-12誤碼率下為接收機的靈敏度，接收機靈敏度約為-21 dBm。從圖9可見，當接收機接收到的光功率為-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 接收機光功率為-22.6 dBm時的眼圖

3 實驗結果與討論

3.1 光發射機光譜特性測試

本實驗用到2種光發射機模塊，分別為電吸收調制的DFB激光器發射機和直接調制的FP激光器發射機，利用光譜儀測量兩種激光器的光譜以區分它們(見圖10)。按照圖1的方案，連接光譜儀、信號發生器與被測試的光發射機。

圖10 2個光發射機光譜特性測試圖

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激光器發射機上加10 Gbit/s的調制信號和不加調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：當加10 Gbit/s的調制信號時，光源的光譜相對于無調制時明顯展寬約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的仿真結果是一致的。

圖11 光發射機在10 GBit/s調制和無調制下的光譜

3.2 光發射機特性測試的結果分析

按照圖5組建眼圖測試系統。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，發射機的光功率為-14.5 dBm。調制速率為10 Gbit/s，實驗測得消光比約為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 光接收機特性測試的結果分析

根據圖7構建光接收機靈敏度測試系統。分別測試了調制速率為2.5 Gbit/s、5 Gbit/s和10 Gbit/s時光接收機的誤碼率，如圖12所示。為了測試方便，利用實驗數據進行曲線擬合，估算出在誤碼率為10-12時接收機的靈敏度分別為-14.518 dBm，-14.187 dBm和-13.057 dBm。可見，隨著接收機接收到的光功率降低，誤碼率是增加的。為了降低誤碼率，需要增加接收機接收到的光功率。從圖12的測試結果可知，當傳輸的碼速增加時，為了獲得相同的誤碼率，需要提高發射機的光功率。

圖12 不同調制速率下接收機誤碼率曲線

4 結語

光收發模塊時域特性測試仿真實驗利用商用光通信仿真軟件和科研設備進行教學，使教學和科研相結合，使學生在課程學習中掌握了光收發模塊的工程測試方案，了解了行業的最新技術，更加主動學習。該仿真實驗對培養學生的學習方法、思維能力和創新精神亦大有裨益。

致謝：本文受到教育部高等學校光電信息科學與工程專業教學指導分委員會第三批全國高校光電專業教育教學熱點難點教研項目的資助。

References)

[1] 申曜銘，黃芝平，劉德勝，等.100Gb/s線路側光收發模塊中ADC的時鐘方案[J].光通信技術，2016，40(3):40-42.

[2] 尹波，蔣澤，羅小兵.光纖通道中高性能光收發模塊的研制[J].重慶郵電大學學報，2007，19(6):694-696.

[3] 邵紅洲，謝顯中.智能SFP光模塊及應用[J].光通信技術，2006，30(6):14-16.

[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] 祝寧華，謝亮.光通信用10Gbit/s激光器模塊及關鍵技術[J].中國有色金屬學報，2004，14(增刊1):394-397.

[6] 梁家勝.微型CWDM設備的收發光模塊設計探討[J].廣東通信技術，2016，36(7):65-68.

[7] 高巍，萬里兮，李志華，等.6.25Gbps×12通道小型甚短距離并行光收發模塊的研制[J].應用光學，2016，32(6):1275-1281.

[8] 沈雨剪，李毅，李榴，等.10G-EPON突發模式光收發模塊的設計[J].光學儀器，2012，34(2):50-54.

[9] 劉希，薛原，徐紅春.4.25Gbps小型可熱插拔光收發模塊的設計與測試[J].中國光學，2012，5(1):77-82.

[10] 閻春生，李明宇，林遠芳，等.本科生光通信實習課程的建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2012，31(7):170-172.

[11] 林遠芳，李明宇，閻春生，等.自構建光纖鏈路的OTDR測試實驗及教學實踐[J].實驗技術與管理，2011，28(8):34-38.