光信號(hào)眼圖校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

高 佳蔡蓓蕾李 慧呂志祥

（軍藍(lán)科技集團(tuán)總公司，北京 102200）

1 引 言

眼圖是通訊信號(hào)質(zhì)量判定的重要參數(shù)之一，眼圖參數(shù)測(cè)量功能是高速光通信波形以及眼圖測(cè)試的重要工具。 隨著40 Gbit／s 高速數(shù)據(jù)光通信的發(fā)展，每個(gè)碼元占用25 ps 或者更??；不僅需要精確測(cè)量眼高度、眼寬度、消光比等參數(shù)，還需要提高時(shí)基測(cè)量能力和飛秒級(jí)抖動(dòng)測(cè)量能力。 重點(diǎn)介紹光信號(hào)眼圖校準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)，通過測(cè)試結(jié)果的比較分析抖動(dòng)、碼速率對(duì)眼圖的影響。

2 眼圖校準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)

2.1 眼圖測(cè)量的參數(shù)

眼圖測(cè)量的參數(shù)主要有抖動(dòng)、消光比、上升沿、下降沿、零電平、高電平、眼幅度、眼高度、眼寬度等參數(shù)。 抖動(dòng)主要描述一個(gè)真實(shí)信號(hào)與理想信號(hào)之間的不穩(wěn)定性，抖動(dòng)分為峰峰值抖動(dòng)和有效值抖動(dòng)；消光比主要指數(shù)據(jù)信號(hào)高電平功率與低電平功率之比；眼幅度定義為高電平與低電平之差；在理想情況下，眼高度與眼幅度相同，但考慮到噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及高電平的波動(dòng)，眼高度定義為：

式中：——為眼圖額高電平；——為噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差；——為眼圖的低電平。

眼寬度的定義與眼高度的定義相似，如圖1所示。

圖1 眼圖參數(shù)定義示意圖Fig.1 Schematic diagram of eye diagram parameter definition

2.2 眼圖校準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)

要對(duì)光通信信號(hào)分析儀的眼圖功能校準(zhǔn)，必須產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)光眼圖對(duì)應(yīng)的信號(hào)，理想的眼圖信號(hào)具有抖動(dòng)小、上升沿／下降沿陡、信噪比高等特點(diǎn)。 通過外部光學(xué)調(diào)制技術(shù)，利用電信號(hào)改變電光晶體的折射率原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制的過程。 參照光發(fā)送機(jī)的原理，校準(zhǔn)模塊必須有窄線寬激光器、高速數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字光調(diào)制器、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器、偏振控制器等；設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 眼圖校準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Design block diagram of eye diagram calibration module

窄線寬激光器采用高精度的自動(dòng)功率控制和自動(dòng)溫度控制技術(shù)，使光源輸出的波長(zhǎng)和功率具有很高的穩(wěn)定度，同時(shí)光源的線寬要足夠窄，大幅度降低光源由于色散造成信噪比下降的影響。 高速數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器主要用來產(chǎn)生理想的電信號(hào)眼圖，為光調(diào)制器提供理想的調(diào)制信號(hào)。 高速數(shù)據(jù)信號(hào)需要具有超快的上升沿、下降沿和很高的信噪比，同時(shí)碼速率和信號(hào)電平連續(xù)可調(diào)，可以產(chǎn)生高速的偽隨機(jī)序列。 微波驅(qū)動(dòng)器主要作用是將高速數(shù)據(jù)信號(hào)放大，并驅(qū)動(dòng)光調(diào)制器，使其輸出的光強(qiáng)度按照高速數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生器輸出的序列輸出光信號(hào)；微波驅(qū)動(dòng)器需要具有足夠的帶寬、高增益、低抖動(dòng)、超快脈沖響應(yīng)等性能。 高速光調(diào)制器主要作用是將電信號(hào)調(diào)制到光載波上，使電信號(hào)在光信號(hào)上傳輸。 偏振控制器通過接收光耦合器輸出的光信號(hào)，調(diào)整輸出電壓，控制高速光調(diào)制器的偏置點(diǎn)，使光調(diào)制器輸出理想的無失真光信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)裝置的選擇

理想的激光器輸出光束應(yīng)該只有一個(gè)模式，但對(duì)于實(shí)際激光器，如果不采取模式選擇，它們的工作狀態(tài)往往是多模的。 含有高階模式橫模的激光束光強(qiáng)分布不均勻，光束發(fā)散角大。 含有縱模及多橫模的激光器單色性及相干性差。 設(shè)計(jì)中選用的是1 550 nm 單頻可調(diào)光纖激光器，這種型號(hào)的激光器很好的解決了激光光束質(zhì)量與激光功率的矛盾。 該激光器最大的特點(diǎn)就是線寬超窄至1 MHz，頻率穩(wěn)定性好于10 MHz，具有超長(zhǎng)相干長(zhǎng)度和超低噪聲，邊模抑制比高于50 dB。 輸出功率＞20 mW；功率穩(wěn)定度≤0.02 dB（8 h）。

眼圖校準(zhǔn)模塊的測(cè)試框圖如圖3所示，在設(shè)計(jì)中選用安捷倫公司的N4906 誤碼儀作為標(biāo)準(zhǔn)的序列產(chǎn)生器。 N4906 可以產(chǎn)生150 Mbit／s～3.6 Gbit／s高速數(shù)字信號(hào)，信號(hào)的上升沿為10 ps，抖動(dòng)有效值小于1 ps。 因此N4906 作為標(biāo)準(zhǔn)序列發(fā)生器，對(duì)眼圖參數(shù)引入的誤差比較小。 微波信號(hào)驅(qū)動(dòng)器選用Centenllax 公司的OA4MVM3；OA4MVM3 驅(qū)動(dòng)帶寬為45 GHz，增益27 dB，上升沿小于8 ps，抖動(dòng)添加量小于0.5 ps，因此微波驅(qū)動(dòng)器對(duì)整個(gè)眼圖校準(zhǔn)模塊的抖動(dòng)影響很小。 光調(diào)制器選擇40 Gbit／s 光強(qiáng)度調(diào)制器，盡最大可能降低光調(diào)制器對(duì)光眼圖的影響。

圖3 眼圖校準(zhǔn)模塊的測(cè)試框圖Fig.3 Test block diagram of eye diagram calibration module

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試設(shè)備選擇安捷倫公司86100 主機(jī)及86116C寬帶光接收機(jī)模塊。 86116C 提供65 GHz 光接收帶寬，配合86100 主機(jī)使用，可以最大限度降低測(cè)試設(shè)備引入的誤差。 一個(gè)40 Gbit／s 信號(hào)的上升沿和下降沿大約為10 ps，歸零碼的數(shù)據(jù)格式可能具有更快的上升沿和下降沿。 如果測(cè)試設(shè)備帶寬不夠?qū)挘l率響應(yīng)得不到控制，測(cè)試波形將會(huì)出現(xiàn)上沖、下沖、振鈴等現(xiàn)象。 30 GHz，40 GHz，65 GHz 光接收機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖4所示，結(jié)果表明：隨著測(cè)量設(shè)備帶寬的提高，對(duì)上升沿和下降沿影響變小，波形的失真也逐漸變小。

圖4 不同帶寬沖激響的比較波形圖Fig.4 Comparison of impulse response with different bandwidth

86100 主機(jī)的抖動(dòng)有效值大約1.5 ps，抖動(dòng)峰峰值達(dá)到9 ps；對(duì)于一個(gè)40 Gbit／s 的高速信號(hào)，每比特25 ps，測(cè)試設(shè)備自身的抖動(dòng)已經(jīng)足以導(dǎo)致眼睛閉合，因此測(cè)試40 Gbit／s 的高速信號(hào)，需要提高時(shí)基精度，大幅降低測(cè)試設(shè)備的抖動(dòng)。 減低抖動(dòng)有效方法是改變86100 的觸發(fā)通道，通過86107A 時(shí)基精密模塊觸發(fā)波形。 86107A 是安捷倫公司推出的時(shí)基精密模塊，可以將86100 主機(jī)的抖動(dòng)降低到200 fs（RMS），同時(shí)觸發(fā)帶寬擴(kuò)展到40 GHz，使測(cè)量結(jié)果接近真實(shí)信號(hào)。 86100 主機(jī)采用86107A 測(cè)量抖動(dòng)的比較結(jié)果如圖5所示，測(cè)試結(jié)果表明：提高時(shí)基精度、降低測(cè)試設(shè)備自身抖動(dòng)，有利于高速光信號(hào)眼圖的測(cè)量。

圖5 是否使用86107A 抖動(dòng)對(duì)比測(cè)量結(jié)果圖Fig.5 Comparison of measurement results using 86107A jitter or not

基于上述分析，選擇86100 主機(jī)，并配65 GHz光接收帶寬86116C 模塊和時(shí)基精密模塊86107A，進(jìn)行眼圖測(cè)試。 通過多次試驗(yàn)，總結(jié)出眼圖的眼寬、抖動(dòng)和眼高是誤碼率、PRBS 碼長(zhǎng)度的函數(shù)。 理想眼圖測(cè)試結(jié)果如圖6（a）所示，抖動(dòng)為14.8 ps；添加誤碼后抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖6（b）所示，抖動(dòng)為18.1 ps，兩者相差3.3 ps。 PRBS（2－1）眼圖模式抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖6（c） 所示，抖動(dòng)峰峰值為23.7 ps；PRBS（2－1）眼圖模式抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖6（d）所示，抖動(dòng)峰峰值為25 ps，兩者差1.3 ps。

圖6 眼圖模式抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果圖Fig.6 Test results of eye pattern jitter

測(cè)試結(jié)果還表明：消光比（ER）、光調(diào)制幅度（OMA）與碼速率有關(guān)。 統(tǒng)計(jì)了消光比、光調(diào)制幅度的偏差與碼速率關(guān)系，如圖7所示。

圖7 消光比、光調(diào)制幅度測(cè)量誤差圖Fig.7 Measurement error of extinction ratio and optical modulation amplitude

4 結(jié)束語

采用本光信號(hào)眼圖校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)方法，充分考慮了可調(diào)諧激光器的出光功率、偏振方向、光調(diào)制啟、微波放大器引入的誤差以及被測(cè)設(shè)備自身的抖動(dòng)、時(shí)基誤差等因素，綜合分析了光通信信號(hào)分析儀眼圖校準(zhǔn)模塊的性能，同時(shí)為光通信信號(hào)分析儀眼圖功能的校準(zhǔn)提供了一種思路。 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此校準(zhǔn)方案的有效性、可行性。 試驗(yàn)結(jié)果表明：理想的眼圖不僅與光源、調(diào)制器、碼型發(fā)生器等器件性能有關(guān)，而且與信號(hào)的碼速率、碼長(zhǎng)度等參數(shù)有關(guān)，因此，在每次改變碼速率、碼長(zhǎng)度等參數(shù)時(shí)，必須先校準(zhǔn)，再進(jìn)行眼圖測(cè)試。