高速率光信号消光比测量的误差分析

费丰，刘超，彭博

(中国电子科技集团公司电子第四十一研究所，山东青岛 266555)

0 引言

我国目前的光纤通信系统骨干网和军用通信网采用的是SDH(同步数字体系)传输体制，传输速率大多数呈2.5 Gbit/s 水平，有部分地区和军用光纤网开通了10 Gbit/s 系统，少数经济发达地区已部署了40 Gbit/s 的试验系统，信号传输速率不断提升。在高速光纤通信系统中，当前国产光收发模块的最高传输速率已经达到10 Gbit/s。根据ITU-T G.957-2006 建议中对STM-64 光接口规定的参数，对光信号消光比要求最小为8.2 dB［1］，因此消光比参数是器件生产、系统集成和应用等领域都非常关心的重要参数。

1 消光比的定义和测量过程

消光比(Extinction ratio，ER)是指光信号在传输过程中，传号(逻辑‘1’电平)时的平均光功率与空号(逻辑‘0’电平)时的平均光功率的比值。在实际应用中更多的是采用对数方式表示(单位为dB)，或百分比方式表示，数学表达式为

目前国内外对于消光比的测量一般都是采用IEC61280-2-2-2008 中推荐的基于示波器眼图的测量方法，即先用一个高速光接收机对光发射机的输出光信号进行光电转换，再用示波器对转换后的电信号进行测量［2］。图1 是其测量原理框图。

图1 消光比测量原理框图

所谓“眼图”，就是由解调后经过低通滤波器输出的基带信号，以码元定时作为同步信号在示波器屏幕上显示的波形，其方法是把示波器的扫描周期调整到码元间隔T 的整数倍。在这种情况下，示波器荧光屏上就能显示出一种由多个随机码元波形所共同形成的稳定图形，类似于人眼(如图2所示)，因此称为眼图。从理论上讲，一个光纤传输系统的传递函数只要满足某一特定公式就可消除码间串扰。但在实际系统中要想做到这一点非常困难，甚至是不可能的。这是因为码间串扰与发送滤波器特性、信道特性、接收滤波器特性等因素有关，在工程实际中，如果部件调试不理想或信道特性发生变化，都可能使传输系统的传递函数改变，从而引起系统性能变坏。在实践中，人们通过对“眼图”的测量计算出消光比，从而估计光纤传输系统优劣程度，也可以根据测量结果对光发射机或接收机的特性加以调整，以减小码间串扰，改善系统的传输性能。

图2 “眼图”示意图

实际测量时，利用示波器测得光发射模块全“0”码时相应电压值以及输入码源信号后示波器“眼图”上顶部线与示波器基线间的电压值，然后根据公式计算出ER。需要注意的是，这时的眼图应符合相关要求。

2 消光比测量过程中的主要误差来源及解决办法

根据消光比的测量过程分析，其测量准确度主要取决于光接收机和示波器本身的性能，主要误差来源包括光电探测器的本底噪声、电路噪声、测量设备的频率响应和示波器测量信号幅度的准确度［3］。下面分别就这些误差源对消光比测量的影响加以介绍。

2.1 噪声产生的偏置

2.1.1 对结果的影响

由于光电探测器内部的暗电流或探测器之后的放大器等电路都存在一定的噪声，因此示波器在没有探测器光信号输入的情况下通常也会测得微弱的输出信号，从而产生偏置，这种偏置电压会使示波器上测得的眼图发生位移，影响消光比测量结果［2，4］。下面举例说明这种偏置是如何对消光比测量造成影响的。

假设某光信号眼图如图3 中左侧所示，其逻辑‘1’电平为1 mW，逻辑‘0’电平为50 μW，即消光比为13 dB 或20。将此光信号用一个光电变换增益为500 V/W、暗信号输出(偏置)为10 mV 的光接收机进行测量，在示波器上得到的就是图3 中右侧所示的眼图测量结果:逻辑‘1’电平由理想情况下的500 mV变成了510 mV，逻辑‘0’电平由理想状态下的25 mV 变成了35 mV，即其消光比为11.6 dB 或14.6，测量误差高达1.4 dB 或27%。由此可见，要提高消光比参数的测量准确度必须解决仪器内部噪声带来的影响。

图3 偏置对消光比测量的影响

2.1.2 解决的办法

针对这一问题，首先应选择具有高带宽、低噪声前置放大器的光电探测器，探测器工作时可通过电制冷等方式降低其工作环境温度并保持温度稳定，以减小探测器的暗电流输出;其次在测量软件流程上采取措施:在每次测量前，在光接收机没有光输入的情况下进行系统“暗校准”，即将此时的测量设备引入的偏置电压测量出来，并作为参考值;然后在实际测量过程中，将此参考值从测量值中扣除，将修正后的结果作为最终测量结果。

2.2 光接收机的频率响应

光接收机(O/E)主要包括光电探测器和后续的放大器、滤波器等电信号处理部分。

2.2.1 对结果的影响

在ITU 等国际组织的文件规范中，对光接收机的频率响应规定允差范围，要求符合四阶贝赛尔-托马森响应［1］。光接收机的频响通常可以分为直流分量和交流分量两个部分，其中直流分量的偏差是由其内部的微波开关、半刚电缆等微波线路带来的，这会使测量眼图产生垂直幅度上的偏移，直接影响消光比测量结果。不过这种偏差是系统性的，可以通过系统校准予以消除。

光接收机频响的交流分量偏差是由取样器、滤波整形、光电二极管和前置放大器等环节引起的，这会使眼图的形状发生改变，从而影响消光比测量，特别是在存在“过冲”和“下冲”的情况下，影响更为严重［2，5］。

图4 中的眼图是一个理想的光接收机的频率响应曲线和输出眼图，可以看出其眼图轨迹单一而清晰，可认为没有任何偏差或缺陷，消光比为无穷大。图5则是一个非理想的光接收机的频率响应曲线和输出眼图，其眼图轨迹明显加宽，眼的张开度变小，而且明显存在“过冲”现象。根据消光比的定义，未经校准的光接收机测得的消光比准确度明显下降。通过试验我们可以得知，一个光接收机的中低频段频率响应会对输出信号眼图产生重要影响，低频部分频响会使眼图产生幅度上的偏移，中间频段(即3 dB 带宽附近)的频响会带来明显的图案相关抖动，使眼图轨迹加宽，产生“过冲”或“下冲”，而高频部分的频响对眼图的形状和位置基本没有影响。

图4 理想的光接收机输出的信号眼图

图5 一个未经校准的光接收机输出的信号眼图

2.2.2 解决办法

要解决这一问题，应对光接收机的频率响应进行准确测量，计算出其在不同工作速率所对应的频率点处的频响偏差，然后在用示波器进行消光比测量时，将这些频响偏差作为修正因子，对测量结果进行修正。同时在实际测量中，还应根据示波器上眼图的具体形状来判定是否存在“过冲”或“下冲”问题，对于存在这种现象的，改变消光比测量时选择的采样区间，或是调整测量滤波器，以减小其影响。

2.3 示波器信号波形幅度测量准确度

2.3.1 对结果的影响

从消光比的定义看需要测量逻辑‘1’和‘0’高、低两个信号电平，示波器的幅度测量准确度会直接影响这两个信号电平的测量［6］。下面以一台安捷伦公司的86100C 示波器测量消光比为例，分别测量两个消光比为10 dB 和16 dB 的光信号。该示波器的幅度测量误差为±25 μW±2%读数，其中的±25 μW 实际就是示波器的偏置。

表1 修正前的测量结果

从上面的例子可以看出，示波器的幅度误差对消光比的测量影响非常大，因此在实际测量中，必须采取一定的措施减小其影响。

2.3.2 解决办法

一般可以采取实时校准加软件修正的办法来降低示波器幅度测量准确度对消光比测量结果的影响。具体做法是:在每次正式测量开始前，先执行系统“暗校准”，测出示波器的偏置，并在测量结果中予以扣除;经过校准后可以将86100C 示波器的偏置影响减小到±2 μW 以下;同时用一台标准光功率计对86100C的幅度误差(光功率测量误差)进行实时标定，在预期的幅度测量范围内得到一组不同量程的校准数据，并使用这组校准数据对测量结果进行修正，从而将示波器幅度测量误差减小了0.5%左右。同样按上面的例子计算，结果见表2。

表2 修正后的测量结果

从上例可以看出，示波器经过“暗校准”和修正后，消光比的测量准确度得到了很大的提高。

3 结论

本文详细分析了影响光发射机消光比测量的主要误差来源，并给出了减小这些误差项对测量结果影响的解决办法，对于促进光发射机等光器件的研制生产及光纤通信系统的设计施工，都具有积极的意义。

［1］ITU-T G.957-2006 与同步数字系列有关的设备和系统的光接口［S］.2006.

［2］IEC.IEC61280-2-2-2012 数字系统:光眼图、波形和消光比的测量［S］.2012.

［3］韦乐平.光同步数字传输网［M］.北京:人民邮电出版社，1998.

［4］亢俊健，宁书年，苏美开，等.光收发模块眼图消光比及灵敏度关系的实验研究［J］.激光杂志，2003，24(2):61-62.

［5］郭玉彬，霍佳雨，靳江涛，等.LiNbO3外调制器的10Gbit/s光纤传输系统［J］.光学精密工程，2007，15(1):22-26.

［6］付永杰.数字示波器频带宽度的测量不确定度评定与分析［J］.宇航计测技术，2012，32(5):27-30.