消光比是什么意思? 為什么要測量消光比？如何實現(xiàn)準(zhǔn)確的消光比測量？

目錄

消光比是什么意思? 為什么要測量消光比？

消光比測量基礎(chǔ)

消光比公式

基于標(biāo)準(zhǔn)的測量

為什么系統(tǒng)誤差會降低消光比測量精度？

如何實現(xiàn)準(zhǔn)確的消光比測量？

如何獲得一個更加穩(wěn)定的系統(tǒng)消光比值？

發(fā)射機消光比如何影響系統(tǒng)性能？

PAM4消光比測試

消光比是表征光發(fā)射器性能的重要測量指標(biāo)。隨著設(shè)計/測試裕度越來越小，進(jìn)行準(zhǔn)確且可重復(fù)的消光比測量的挑戰(zhàn)也變得越來越明顯。此外，使用不同參考接收器進(jìn)行的消光比測量的可變性已成為業(yè)界關(guān)注的問題。消光比測量技術(shù)的最新發(fā)展可以提高設(shè)計裕度和制造產(chǎn)量。

消光比是什么意思? 為什么要測量消光比？

消光比 (Extinction Ratio) 被定義為邏輯 1 電平幅度 (V top) 與邏輯 0 電平幅度 (V base) 之比。它表示激光功率轉(zhuǎn)換為信號功率的效率。對于圖形描述，通常使用眼圖，如圖 1 所示。

簡單來說，消光比是指把電信號調(diào)制到光信號上之后，激光器輸出高電平和低 電平時光功率的對數(shù)比值，反映了激光器是否工作在最佳偏置點以及最佳調(diào)制效率區(qū)間。

圖 1. 消光比的定義

What is Extinction Ratio?
It is defined as the ratio of the logic one level amplitude (V top) to the logic zero level amplitude (V base). It is an indication of how efficiently the laser power is converted to signal power.

消光比也是眼圖質(zhì)量的一個關(guān)鍵指標(biāo)，它提供了眼圖中 1 級和 0 級之間的關(guān)系。

消光比通常在眼圖窗口上zhiding，介于眼圖的 40% 和 60% 間隔之間，如圖 2 所示。過沖或不正確的上升時間會影響消光比的測量值，因此需要一種通用的眼圖測量方法，該方法是通過包含合規(guī)濾波器的參考接收器來實現(xiàn)的。

圖 2. 顯示眼圖窗口和消光比直方圖的典型眼圖

眼圖還可減少提供眼圖測量結(jié)果所需的樣本數(shù)量，從而提供非常快速的測量更新，這對于快速確定消光比和平均功率等關(guān)鍵參數(shù)尤為重要。

圖 3. 啟用眼圖調(diào)節(jié)后的典型眼圖顯示以及要優(yōu)化的消光比測量結(jié)果。

消光比測量基礎(chǔ)

消光比是一種測量方法，表示可用激光功率轉(zhuǎn)換為調(diào)制功率的程度。

從數(shù)學(xué)上講，它是邏輯“1"電平與邏輯“0"電平的比率。如果相對于“1"電平功率，傳輸“0"電平的功率非常小，則消光比將很高，這表明激光功率被有效地用作調(diào)制功率。對于 PAM4（脈沖幅度調(diào)制 4 電平）信號，定義類似，但比率由“3"和“0"電平組成。消光比是直接檢測通信系統(tǒng)中使用的每個發(fā)射器的主要規(guī)格。長跨度系統(tǒng)更重視消光比，并且歷史要求較高的值。短跨度系統(tǒng)對消光比的要求不那么嚴(yán)格。

雖然消光比的概念很簡單，但消光比的準(zhǔn)確測量容易受到各種錯誤機制的影響。最小化這些機制的影響是 Keysight 數(shù)十年來持續(xù)進(jìn)行的工作。 消光比校準(zhǔn)方法最近有所改進(jìn)，隨著光通信技術(shù)達(dá)到 25 和 50 Gbaud 傳輸速率，這一點尤為重要。推薦閲讀：

本文討論了測量挑戰(zhàn)以及測量不確定性和變異性的原因。此外，它還描述了減少由標(biāo)準(zhǔn)參考接收器性能不理想引起的不確定性的方法。其中包括在測試系統(tǒng)中實現(xiàn)更好的測量一致性的技術(shù)。

消光比公式

消光比可以通過眼圖確定，定義為線性比率，以分貝為單位，或以百分比表示：

基于標(biāo)準(zhǔn)的測量

雖然消光比測量概念很基礎(chǔ)，只需要確定信號邏輯電平，但通過明確定義的測量方法可以實現(xiàn)一致的結(jié)果。IEC 61280-2-2 光纖通信子系統(tǒng)測試程序 - 第 2-2 部分：數(shù)字系統(tǒng) - 光眼圖、波形和消光比測量提供了一種在 NRZ（不歸零）眼圖上測量消光比的特定方法。

該程序調(diào)用以下內(nèi)容：

• 使用光學(xué)示波器（數(shù)字通信分析儀或 DCA）采集波形，數(shù)據(jù)速率帶寬為 75%（例如，19.34 GHz 可觀察 25.78 Gb/s 信號）。頻率響應(yīng)應(yīng)遵循四階貝塞爾形狀。這會產(chǎn)生表現(xiàn)良好的時域響應(yīng)

• 在發(fā)射器眼圖上構(gòu)建直方圖以確定邏輯“1"和邏輯“0"的平均值。直方圖位于單位間隔（位周期）的中央 20% 上PAM4 消光比分析沒有標(biāo)準(zhǔn)測試程序。

但是，IEEE 802.3bs 提供了一種貫穿 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的方法：

• 消光比基于邏輯電平“3"和“0"幅度的比率

• 幅度值不是從 PAM4 眼圖得出的，而是從連續(xù)七個“3"和連續(xù)六個“0"的中央兩個單位間隔得出的。該參數(shù)稱為外部消光比。

• DCA頻率響應(yīng)未zhidin，并且被認(rèn)為不如 NRZ測量重要，因為由于符號的連續(xù)運行時間較長，信號電平不會受到頻率響應(yīng)的顯著影響

為什么系統(tǒng)誤差會降低消光比測量精度？

雖然消光比測量概念很基礎(chǔ)，只需要確定信號邏輯電平，但有多種機制會降低測量精度。這些機制主要存在于 DCA的信號路徑中：

• DCA光電探測器系統(tǒng)中的暗電流

• 相對于中頻和高頻，低頻的增益過大

• 非理想頻率響應(yīng)會產(chǎn)生符號間干擾和眼圖閉合。通常，DCA通道噪聲不是一種重要的誤差機制，因為幅度分析基于直方圖均值，不會因增加噪聲而改變。

如何實現(xiàn)準(zhǔn)確的消光比測量？

當(dāng)測量誤差具有系統(tǒng)性和可重復(fù)性時，可以通過儀器校準(zhǔn)過程將其從測量中消除。成功校準(zhǔn)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確量化誤差，并采用有效的方法將其從最終消光比結(jié)果中消除。

最容易量化的誤差是暗電流偏移。當(dāng)輸入端沒有信號時，DCA通道（包括光電探測器）可以產(chǎn)生小信號。這種雜散信號可以有效地抵消被測信號，從而導(dǎo)致消光比測量誤差。DCA校準(zhǔn)菜單有一個暗校準(zhǔn)程序，用戶可以執(zhí)行。當(dāng) DCA通道輸入端沒有信號時，可以測量“暗"信號并記錄其值。DCA將顯示消除任何暗電平偏移的波形。

DCA通道（尤其是光電探測器后包括放大的通道）的直流和極低頻增益與通道帶寬內(nèi)的中頻和高頻增益略有不同，這是很常見的。如果 DC 增益相對較高，則顯示波形的平均值將比波形的 AC（或光調(diào)制幅度或 OMA）具有更高的增益。在消光比的背景下，結(jié)果是消光比值明顯降低。

圖 3. 直流偏差對消光比的影響

量化此影響的方法是向 DCA通道呈現(xiàn)jigao的消光比信號（大約 30 dB）。參考信號的調(diào)制速率較低，因此可將另一個校準(zhǔn)步驟中處理的高頻誤差機制降至zuidi。此過程對于測量非常高的消光比信號（大于 10 dB）最為重要。如果相對 DC 增益僅為 0.3 dB（1.07 線性），則 10 dB 消光比信號將被視為 8.7 dB 消光比的信號。在jiduan情況下，將觀察到 14.6 dB 的消光比無限大的信號。如果不進(jìn)行校正，0.3 dB 偏移會導(dǎo)致 14.6 dB 的測量限值。也就是說，可以報告的最高消光比為 14.6 dB。當(dāng) DCA 通道具有這樣的偏移時，在應(yīng)用 30 dB 消光比參考信號時會直接顯示出來。一旦知道，它就會自動從信號中刪除，并且顯示的波形將不帶偏移。請注意，當(dāng)消光比處于 4 到 5 dB 范圍內(nèi)時（數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中使用的發(fā)射器通常如此），直流偏移誤差的影響非常小。

DCA 通道的寬帶寬頻率響應(yīng)中的缺陷也會影響觀察到的消光比。考慮符號間干擾如何導(dǎo)致眼圖閉合。有效減少“1"級別并增加“0"級別會導(dǎo)致觀察到的消光比明顯減少（如圖 4 所示）。

圖4. 頻率響應(yīng)對消光比的影響

這種誤差機制的量化很復(fù)雜，因為它不僅取決于 DCA 通道，還取決于被測信號。必須為每個 DCA 參考接收器濾波器設(shè)置和相關(guān)數(shù)據(jù)速率確定一個weiyi的誤差。評估頻率響應(yīng)的影響需要具有已知消光比信號以適當(dāng)?shù)膮⒖冀邮掌鲾?shù)據(jù)速率運行。這可以通過創(chuàng)建具有理想 Bessel-Thomson 頻率響應(yīng)的 DCA 通道來實現(xiàn)。這樣，就可以確定參考信號的消光比，而不會受到任何頻率響應(yīng)引起的誤差的影響。此方法用于在任何數(shù)據(jù)速率下生成已知消光比參考信號。然后使用這些信號來確定通道的高頻誤差機制。與上面討論的校正 DC 偏移不同，此校準(zhǔn)過程還將補償顯示正確 OMA 幅度的誤差。它不僅可以獲得更好的消光比精度，還可以改善眼圖幅度的絕對測量，包括 OMA。更新后的校準(zhǔn)過程還將在多通道 DCA（例如四通道 N1092D）中產(chǎn)生更好的一致性。在每個 DCA 通道上呈現(xiàn)的同一信號上測量的消光比之間應(yīng)該差別很小。

如何獲得一個更加穩(wěn)定的系統(tǒng)消光比值？

系統(tǒng)消光比測試的精確度是由以下的條件所影響：

• 插入的垂直校準(zhǔn)

• 暗校準(zhǔn)

• 光電轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)

• 固化軟件算法

用于高速數(shù)字通信的光纖發(fā)射機，需要具備一些特定的參數(shù)條件。其中的一個參數(shù)，消光比被用來描述zuiyou的偏置條件和激光發(fā)射功率轉(zhuǎn)化成調(diào)制功率的效率。雖然行業(yè)內(nèi)已經(jīng)給出了一些特定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且給了一個規(guī)范的測量途徑，但近年來實現(xiàn)準(zhǔn)確和可重復(fù)的系統(tǒng)消光比測試仍然很困難。

高速數(shù)字通信系統(tǒng)中使用的光發(fā)射機通常需要保持一組特定的性能水平。消光比這一參數(shù)用于描述最佳偏置條件以及可用激光發(fā)射機功率如何高效地轉(zhuǎn)換為調(diào)制功率。盡管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和測試方法對規(guī)格進(jìn)行了定義，但從歷史看，實現(xiàn)準(zhǔn)確且可重復(fù)的消光比測量一直很困難。

發(fā)射機消光比如何影響系統(tǒng)性能？

最能描述通信系統(tǒng)整體健康狀況的參數(shù)是誤碼率 (BER)。幾乎任何設(shè)計良好的數(shù)字通信系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎無差錯的通信，只要發(fā)射機功率保持足夠高，系統(tǒng)損耗（即光纖衰減）保持足夠低。為了最大限度地減少對昂貴的放大器或再生器的需求，最好在發(fā)射機和接收機之間擁有盡可能長的跨度。

傳輸跨度過長最終會降低系統(tǒng) BER，因為信號電平會下降，噪聲會成為接收器信號的主要成分。但是，發(fā)射機消光比也會影響傳輸系統(tǒng)的允許長度。

圖5 展示了一個zuijiandan的消光比圖和功率預(yù)算的反比關(guān)系曲線。

圖 5 顯示了 BER 功率損失與消光比的關(guān)系。例如，如果消光比為 8.2 dB，則需要傳輸大約 1 dB 的額外功率才能實現(xiàn)與消光比為 13 dB 時相同的 BER。換句話說，平均功率為 0 dBm 且消光比為 13 dB 的信號應(yīng)實現(xiàn)與平均功率為 1 dBm 且消光比為 8.2 dB 的信號相同的 BER。同樣，與消光比為 8.2 dB 相比，如果消光比降低到 5 dB，則需要額外的 1.5 dB 功率來維持 BER 水平。

了解并zuida程度地提高消光比測量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性

有多種因素可能會降低消光比測量的準(zhǔn)確性。這些因素可分為以下幾類：

• 儀器產(chǎn)生的偏移/雜散信號

• 儀器引起的波形失真

• 儀器測量波形幅度的精度

為了最大限度地減少測量質(zhì)量下降，應(yīng)實施以下策略：

• 使用基于直方圖的測量算法，即使存在產(chǎn)生誤差的情況，該算法也具有魯棒性

• 了解波形失真的原因并使用可產(chǎn)生高波形保真度的儀器

• 了解并盡可能保持在儀器的測量限制范圍內(nèi)

推薦閲讀：

本文討論了測量挑戰(zhàn)以及測量不確定性和可變性的原因。此外，它還描述了減少由標(biāo)準(zhǔn)參考接收器性能不理想引起的不確定性的方法。其中包括在測試系統(tǒng)中實現(xiàn)更好的測量一致性的技術(shù)。

PAM4消光比測試

消光比是光發(fā)射機特性評估非常重要的一個指標(biāo)，同時也是最困難的測試指標(biāo)之一。對于 PAM4信號來說，一方面對于線性度要求更高，另一方面，很多標(biāo)準(zhǔn)對該指標(biāo)要求越來越嚴(yán)格， 消光比測試余量也越來越有限，因此，如何進(jìn)行準(zhǔn)確/可重復(fù)的消光比測試，日益成為一個挑戰(zhàn)。

與 NRZ 信號相比，PAM4信號的消光比測量構(gòu)造有很大不同。PAM4外部消光比測量受益于用戶執(zhí)行的暗校準(zhǔn)。

由于 DC偏移和 AC頻率響應(yīng)導(dǎo)致的測量誤差仍然可能發(fā)生，但由于信號在經(jīng)過大量時間穩(wěn)定到穩(wěn)定值后才被觀察到，因此影響較小。

PAM4消光比測量精度仍然通過消光比校準(zhǔn)得到增強。由于最新的校準(zhǔn)方法直接影響并提高顯示波形的精度，因此 消光比以及許多其他測量都受益于新的校準(zhǔn)方法。幾乎所有 PAM4 合規(guī)性測量都是使用允許模式鎖定的測試模式執(zhí)行的。這反過來又允許使用 SIRC（系統(tǒng)脈沖響應(yīng)校正），從而最大限度地減少 DCA 通道頻率響應(yīng)的影響。

與 NRZ 相比，PAM4消光比測量的一個重要區(qū)別是如何設(shè)置和顯示測量。對于 NRZ信號，消光比是在聚合眼圖上測量的。通過注釋，可以輕松了解測量是如何構(gòu)建的，包括測量眼睛的哪個區(qū)域以及生成了哪些值來計算消光比結(jié)果。

圖 6. NRZ消光比測量的構(gòu)建和注釋

PAM4消光比測量由測試模式的不同且獨立的部分構(gòu)成，而不是眼圖。即使顯示 PAM4 眼圖，DCA 也會根據(jù)所需的特定符號構(gòu)建測量。這通常是來自七個連續(xù) 3 和六個連續(xù) 0 的中間 2 個符號。如果沒有這些特定符號，DCA 將找到可用的最長序列，并用“？"注釋結(jié)果。顯示 PAM4 消光比測量的構(gòu)造是不切實際的。啟用測量注釋后，將顯示從相應(yīng)符號得出的“3"和“0"幅度級別，位于 PAM4 眼圖的中心。這不應(yīng)被解釋為從聚合眼圖得出的信號級別。

圖 7. PRBS13Q 測試模式的功率級別 P0 和 P3 示例（參考 IEEE 802.3 第 121 條）