消光比参数的溯源方法

缪新育 陈龙泉 黄 震 许 伟

（中国信息通信研究院，北京 100191）

消光比参数的溯源方法

缪新育 陈龙泉 黄 震 许 伟

（中国信息通信研究院，北京 100191）

对通信信号分析仪的光口消光比参数进行溯源研究，提出了将光口消光比参数溯源到示波器电压参数上的方法并进行了实验验证。首先搭建了消光比稳定的数字信号发射机作为被测源。其次采用带宽足够的光电探测器XPDV2150R（DC-50GHz 1550nm）将光信号转变到电信号，来消除频响对测量结果的影响，并通过实验验证了光电探测器带宽和接收机带宽对测量结果的影响。最后通过垂直幅度可溯源的电示波器对电信号进行消光比测量。将测量结果和通过通信信号分析仪光口眼图功能测得的结果进行比对，验证两者的一致性，最终实现将消光比参数溯源到电压参数上。

溯源 消光比 频响 带宽

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

消光比是光发射机传输的重要性能参数，表征了最佳偏置条件和如何有效地将光发射可用功率转换到调制功率电平。消光比能直接影响光接收机灵敏度和误码率[1]，在传统的直接调制、幅度调制中，消光比更用于直观地指示光传输系统的传输性能优劣[2]，因此消光比的准确测量和溯源对光发射机综合性能的准确评价至关重要。且目前对于同一光发射机的消光比，不同测量参考接收机测得的结果不尽相同[3，4]，消光比测量的准确性和一致性已成为工业领域关于的焦点。随着设计和测试成本要求的提高，这一挑战变得更加明显。

目前测量消光比最常用的方法是通过通信信号分析仪的光口眼图功能（简称眼图仪）显示眼图来测量。标准 IEC 61280—2—2：2008[5]描述了光眼图的测量步骤。该标准建议消光比需通过示波器的眼图进行测量，该示波器需具有3dB衰减频率为0.75倍比特率的4阶贝塞尔-托马斯频响系统，装置如图1所示。

但是由于目前没有消光比准确度经过严格标定的数字信号源，无法对眼图仪进行校准溯源。且商用的眼图仪无法给出具体的电路图，故从计量的角度，无法通过上述方法实现不确定度计算，从而无法对消光比进行测量和溯源。

本文从IEC 61280—2—2：2008的消光比基本定义出发，搭建了一个消光比稳定的光数字信号发射机作为信号源，并构建了一个光电转换和电示波器独立的测量装置，分级实现溯源[6]。同时将本装置和眼图仪的测量结果进行比对，验证两者的一致性。通过此方法将通信信号分析仪的光口眼图消光比测量溯源到示波器电压值上。

2 实验原理

实验装置如图2所示。光发射机由光源、马赫-曾德尔调制器（MZM）、脉冲码型发生器、可调光衰减器等组成。激光器的中心波长为1550.12nm，输出光功率为-6dBm。脉冲码型发生器产生非帧结构、载荷为PRBS-15的电信号，速率可调，输出幅度可调，输出电信号未经放大直接加载至MZM调制器。MZM调制器输出经数字调制的光信号，其偏置电压由直流稳压电源控制。可调光衰减器用以保证进入光接收机的光功率恒定。

一般的推挽式结构的MZM调制器[7]的简化传递函数可以表示为：

式中：Vπ——调制器的P-V调制曲线的半波电压，半波电压（射频与直流半波电压近似认为相同）；VBias——偏置电压；Vin——输入信号电压。

根据MZM调制器的传递函数，结合IEC 61280—2—2：2008中消光比的定义可得消光比的公式如下：

其中，VMark和VSpace为分别输入信号“1”电平和“0”电平的幅度，分别称为传号电平与空号电平。一般情况下，我们设定VRF=VMark-VSpace，VBias=1/2（VMark+VSpace）。由上式可知，消光比的大小与加载至调制器上的偏置电压和输入信号的“1”和“0”电平幅度直接相关。调制信号表现为以VBias为中心，向前后伸展VRF/2的起伏信号[8]，如图3所示。通过调节调制器的偏置点和输入射频信号输入信号幅度可调节“1”电平和“0”电平的位置，进而调节消光比大小。最终得到光发射机的消光比输出范围为12dB以上，稳定度为0.03dB。

将信号源的数字光信号先经过光电探测器XPDV2150R（DC-50GHz 1 550nm），再导入通信信号分析仪的电示波器进行消光比测量。在测量之前，示波器进行暗电流校准，以消除光电探测器暗电流对测量结果的影响。最终得到的ERe即为数字光信号的消光比。

为了验证宽带光电变换对测量结果的影响，选取了20GHz和50GHz两个带宽光电探测器依次放入测量装置中进行消光比测量，并将两次结果进行比对。

由于接收机在整个比特周期对信号值进行积分，这一积分过程由4阶贝塞尔-托马斯滤波器完成。虽然滤波器滤去了脉冲信号的高频成分，使得输入信号的上升沿和下降沿展宽，但对眼图中心的幅度几乎不影响。对此同样进行了实验验证，构建了加滤波器和不加滤波器两种测量场景，并对测量结果进行比对。

由于光口眼图仪内部结构同样包含光电探测器和电示波器两部分，原理与电口测量方法一致，仅仅是信号处理存在差异。因此二者之间进行比对溯源是合理可行的技术方法。

3 实验步骤和结果

光发射机经过一定预热时间达到稳定输出后，先将通信信号分析仪设置为眼图模式，在光口眼图方式下读取消光比示值ERo，并设置平均次数达100次以上，以此来消除系统随机误差。然后将通信信号分析仪设置为示波器模式，光信号分别经过20GHz和50GHz的光电探测器之后，由电示波器读取“0”电平和“1”电平的对应示值（V0、V1），并通过公式 ERe=10log10（V1/V0）进行计算得到 ERe1和 ERe2。同时分别设置脉冲码型发生器的输出信号幅度为1.0Vpp和1.5Vpp，以验证不同消光比值条件下两种方法的测量一致性。实验结果见表1。

图4和5是添加和不添加滤波器的测量结果，添加滤波器后的眼图，更加清晰稳定，毛刺更少。排除毛刺读取“1”电平和“0”电平，两者消光比分别为10.05dB和10.20dB。

表1 各速率下两种方式测量结果比对

4 实验结果分析

由上述实验结果可以看出，根据上述方法在电口测量得到的消光比与光口上直接读取的消光比基本一致，偏差比测量值约小一个数量级，可以忽略不计。同理，在覆盖发射机带宽需求的前提下，由光电探测器带宽的大小和参考接收机带宽的不一致引入的影响也可以忽略不计。在实际的不确定度评定中，可以作为可忽略项。因此将光口的消光比数值溯源到电口的电压值上是可行的。

5 结束语

综上所述，本文实现了通信信号分析仪光口消光比测量溯源到示波器电压参数上的方法，从原理和实验两方面验证了溯源方法的可行性。构造了光电转换和电示波器独立的测量装置，采用消光比稳定的数字信号作为被测源，以保证测量结果的有效。采用足够带宽的光电探测器XPDV2150R（DC-50GHz 1550 nm）来消除频响的影响，同时验证了光电探测器宽带和参考接收机带宽对测量结果的影响。最后将电口测量方法与光口眼图仪方法的测量结果进行比对，实验结果证明两者具有一致性，可以用这种方法实现光口消光比参数溯源到电压值上。消光比参数溯源的提出，将增加消光比测量的可信度和准确性，同时促进发射机性能的优化，为光传输系统的高性能运行提供了保障。

[1]Kang J，Ning S，Su M，et al.Experimental research on the eye-diagram，extinction-ratio and sensitivity of optical receiving-transmitting modules[J].Laser Journal，2003，24（2）：61～62.

[2]Yang L，Song X，Cheng J，et al.Free-Space Optical Communications Over Lognormal Fading Channels Using OOK With Finite Extinction Ratios [J].IEEE Access，2016，4（1）：574～584.

[3]Camatel S，Wang W，Rau L，et al.Accurate Measurement of High Extinction Ratios of Ultrafast Pulsed Sources [J].IEEE Photonics Technology Letters，2005，17（9）：1917～1919.

[4]Ozdur I，Ozharar S，Quinlan F，et al.An Interferometric Method for High Extinction Ratio Measurements With 60-dB Dynamic Range [J].IEEE Photonics Technology Letters，2008，20（24）：2075～2077.

[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.

[7]Yang L，Ding J.High-Speed Silicon Mach-Zehnder OpticalModulator With Large OpticalBandwidth[J].Optics Express，2014，32（5）：966～970.

[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

国家质量监督检验检疫总局时间频率计量基准重点实验室2016年度开放课题（41-AKYKF1610）

2017-02-23，

2017-06-08

缪新育（1983-），男，工程师，硕士，主要研究方向：光传输和时钟同步技术。

1000-7202（2017）03-0041-03