消光比是什么意思? 為什么要測(cè)量消光比？如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的消光比測(cè)量？

目錄

消光比是什么意思? 為什么要測(cè)量消光比？

消光比測(cè)量基礎(chǔ)

消光比公式

基于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量

為什么系統(tǒng)誤差會(huì)降低消光比測(cè)量精度？

如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的消光比測(cè)量？

如何獲得一個(gè)更加穩(wěn)定的系統(tǒng)消光比值？

發(fā)射機(jī)消光比如何影響系統(tǒng)性能？

PAM4消光比測(cè)試

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

消光比是什么意思? 為什么要測(cè)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(hào)功率的效率。對(duì)于圖形描述，通常使用眼圖，如圖 1 所示。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，消光比是指把電信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上之后，激光器輸出高電平和低 電平時(shí)光功率的對(duì)數(shù)比值，反映了激光器是否工作在最佳偏置點(diǎn)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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它提供了眼圖中 1 級(jí)和 0 級(jí)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(guò)沖或不正確的上升時(shí)間會(huì)影響消光比的測(cè)量值，因此需要一種通用的眼圖測(cè)量方法，該方法是通過(guò)包含合規(guī)濾波器的參考接收器來(lái)實(shí)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(cè)量結(jié)果所需的樣本數(shù)量，從而提供非常快速的測(cè)量更新，這對(duì)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(cè)量結(jié)果。

消光比測(cè)量基礎(chǔ)

消光比是一種測(cè)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(duì)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(duì)于 PAM4（脈沖幅度調(diào)制 4 電平）信號(hào)，定義類似，但比率由“3”和“0”電平組成。消光比是直接檢測(cè)通信系統(tǒng)中使用的每個(gè)發(fā)射器的主要規(guī)格。長(zhǎng)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(duì)消光比的要求不那么嚴(yán)格。

雖然消光比的概念很簡(jiǎn)單，但消光比的準(zhǔn)確測(cè)量容易受到各種錯(cuò)誤機(jī)制的影響。最小化這些機(jī)制的影響是 Keysight 數(shù)十年來(lái)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(diǎn)尤為重要。推薦閲讀：

本文討論了測(cè)量挑戰(zhàn)以及測(cè)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(cè)試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更好的測(cè)量一致性的技術(shù)。

消光比公式

消光比可以通過(guò)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(cè)量

雖然消光比測(cè)量概念很基礎(chǔ)，只需要確定信號(hào)邏輯電平，但通過(guò)明確定義的測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)一致的結(jié)果。IEC 61280-2-2 光纖通信子系統(tǒng)測(cè)試程序 - 第 2-2 部分：數(shù)字系統(tǒng) - 光眼圖、波形和消光比測(cè)量提供了一種在 NRZ（不歸零）眼圖上測(cè)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(hào)）。頻率響應(yīng)應(yīng)遵循四階貝塞爾形狀。這會(huì)產(chǎn)生表現(xiàn)良好的時(shí)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(cè)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(gè)“3”和連續(xù)六個(gè)“0”的中央兩個(gè)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(cè)量重要，因?yàn)橛捎诜?hào)的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，信號(hào)電平不會(huì)受到頻率響應(yīng)的顯著影響

為什么系統(tǒng)誤差會(huì)降低消光比測(cè)量精度？

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

• DCA光電探測(cè)器系統(tǒng)中的暗電流

• 相對(duì)于中頻和高頻，低頻的增益過(guò)大

• 非理想頻率響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生符號(hào)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(jī)制，因?yàn)榉确治龌谥狈綀D均值，不會(huì)因增加噪聲而改變。

如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的消光比測(cè)量？

當(dāng)測(cè)量誤差具有系統(tǒng)性和可重復(fù)性時(shí)，可以通過(guò)儀器校準(zhǔn)過(guò)程將其從測(cè)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(hào)時(shí)，DCA通道（包括光電探測(cè)器）可以產(chǎn)生小信號(hào)。這種雜散信號(hào)可以有效地抵消被測(cè)信號(hào)，從而導(dǎo)致消光比測(cè)量誤差。DCA校準(zhǔn)菜單有一個(gè)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(hào)時(shí)，可以測(cè)量“暗”信號(hào)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(cè)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(duì)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(duì)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(hào)（大約 30 dB）。參考信號(hào)的調(diào)制速率較低，因此可將另一個(gè)校準(zhǔn)步驟中處理的高頻誤差機(jī)制降至zuidi。此過(guò)程對(duì)于測(cè)量非常高的消光比信號(hào)（大于 10 dB）最為重要。如果相對(duì) DC 增益僅為 0.3 dB（1.07 線性），則 10 dB 消光比信號(hào)將被視為 8.7 dB 消光比的信號(hào)。在jiduan情況下，將觀察到 14.6 dB 的消光比無(wú)限大的信號(hào)。如果不進(jìn)行校正，0.3 dB 偏移會(huì)導(dǎo)致 14.6 dB 的測(cè)量限值。也就是說(shuō)，可以報(bào)告的最高消光比為 14.6 dB。當(dāng) DCA 通道具有這樣的偏移時(shí)，在應(yīng)用 30 dB 消光比參考信號(hào)時(shí)會(huì)直接顯示出來(lái)。一旦知道，它就會(huì)自動(dòng)從信號(hào)中刪除，并且顯示的波形將不帶偏移。請(qǐng)注意，當(dāng)消光比處于 4 到 5 dB 范圍內(nèi)時(shí)（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(huì)影響觀察到的消光比?？紤]符號(hào)間干擾如何導(dǎo)致眼圖閉合。有效減少“1”級(jí)別并增加“0”級(jí)別會(huì)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(duì)消光比的影響

這種誤差機(jī)制的量化很復(fù)雜，因?yàn)樗粌H取決于 DCA 通道，還取決于被測(cè)信號(hào)。必須為每個(gè) 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(gè)weiyi的誤差。評(píng)估頻率響應(yīng)的影響需要具有已知消光比信號(hào)以適當(dāng)?shù)膮⒖冀邮掌鲾?shù)據(jù)速率運(yùn)行。這可以通過(guò)創(chuàng)建具有理想 Bessel-Thomson 頻率響應(yīng)的 DCA 通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，就可以確定參考信號(hào)的消光比，而不會(huì)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(hào)。然后使用這些信號(hào)來(lái)確定通道的高頻誤差機(jī)制。與上面討論的校正 DC 偏移不同，此校準(zhǔn)過(guò)程還將補(bǔ)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(duì)測(cè)量，包括 OMA。更新后的校準(zhǔn)過(guò)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(gè) DCA 通道上呈現(xiàn)的同一信號(hào)上測(cè)量的消光比之間應(yīng)該差別很小。

如何獲得一個(gè)更加穩(wěn)定的系統(tǒng)消光比值？

系統(tǒng)消光比測(cè)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(jī)，需要具備一些特定的參數(shù)條件。其中的一個(gè)參數(shù)，消光比被用來(lái)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(gè)規(guī)范的測(cè)量途徑，但近年來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和可重復(fù)的系統(tǒng)消光比測(cè)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(jī)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(jī)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(cè)試方法對(duì)規(guī)格進(jìn)行了定義，但從歷史看，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且可重復(fù)的消光比測(cè)量一直很困難。

發(fā)射機(jī)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(jì)良好的數(shù)字通信系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎無(wú)差錯(cuò)的通信，只要發(fā)射機(jī)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(duì)昂貴的放大器或再生器的需求，最好在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間擁有盡可能長(zhǎng)的跨度。

傳輸跨度過(guò)長(zhǎng)最終會(huì)降低系統(tǒng) BER，因?yàn)樾盘?hào)電平會(huì)下降，噪聲會(huì)成為接收器信號(hào)的主要成分。但是，發(fā)射機(jī)消光比也會(huì)影響傳輸系統(tǒng)的允許長(zhǎng)度。

圖5 展示了一個(gè)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(shí)現(xiàn)與消光比為 13 dB 時(shí)相同的 BER。換句話說(shuō)，平均功率為 0 dBm 且消光比為 13 dB 的信號(hào)應(yīng)實(shí)現(xiàn)與平均功率為 1 dBm 且消光比為 8.2 dB 的信號(hào)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(lái)維持 BER 水平。

了解并zuida程度地提高消光比測(cè)量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性

有多種因素可能會(huì)降低消光比測(cè)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(hào)

• 儀器引起的波形失真

• 儀器測(cè)量波形幅度的精度

為了最大限度地減少測(cè)量質(zhì)量下降，應(yīng)實(shí)施以下策略：

• 使用基于直方圖的測(cè)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(cè)量限制范圍內(nèi)

推薦閲讀：

本文討論了測(cè)量挑戰(zhàn)以及測(cè)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(cè)試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更好的測(cè)量一致性的技術(shù)。

PAM4消光比測(cè)試

消光比是光發(fā)射機(jī)特性評(píng)估非常重要的一個(gè)指標(biāo)，同時(shí)也是最困難的測(cè)試指標(biāo)之一。對(duì)于 PAM4信號(hào)來(lái)說(shuō)，一方面對(duì)于線性度要求更高，另一方面，很多標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該指標(biāo)要求越來(lái)越嚴(yán)格， 消光比測(cè)試余量也越來(lái)越有限，因此，如何進(jìn)行準(zhǔn)確/可重復(fù)的消光比測(cè)試，日益成為一個(gè)挑戰(zhàn)。

與 NRZ 信號(hào)相比，PAM4信號(hào)的消光比測(cè)量構(gòu)造有很大不同。PAM4外部消光比測(cè)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(cè)量誤差仍然可能發(fā)生，但由于信號(hào)在經(jīng)過(guò)大量時(shí)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(cè)量精度仍然通過(guò)消光比校準(zhǔn)得到增強(qiáng)。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(cè)量都受益于新的校準(zhǔn)方法。幾乎所有 PAM4 合規(guī)性測(cè)量都是使用允許模式鎖定的測(cè)試模式執(zhí)行的。這反過(guò)來(lái)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(cè)量的一個(gè)重要區(qū)別是如何設(shè)置和顯示測(cè)量。對(duì)于 NRZ信號(hào)，消光比是在聚合眼圖上測(cè)量的。通過(guò)注釋，可以輕松了解測(cè)量是如何構(gòu)建的，包括測(cè)量眼睛的哪個(gè)區(qū)域以及生成了哪些值來(lái)計(jì)算消光比結(jié)果。

圖 6. NRZ消光比測(cè)量的構(gòu)建和注釋

PAM4消光比測(cè)量由測(cè)試模式的不同且獨(dú)立的部分構(gòu)成，而不是眼圖。即使顯示 PAM4 眼圖，DCA 也會(huì)根據(jù)所需的特定符號(hào)構(gòu)建測(cè)量。這通常是來(lái)自七個(gè)連續(xù) 3 和六個(gè)連續(xù) 0 的中間 2 個(gè)符號(hào)。如果沒有這些特定符號(hào)，DCA 將找到可用的最長(zhǎng)序列，并用“？”注釋結(jié)果。顯示 PAM4 消光比測(cè)量的構(gòu)造是不切實(shí)際的。啟用測(cè)量注釋后，將顯示從相應(yīng)符號(hào)得出的“3”和“0”幅度級(jí)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(hào)級(jí)別。

圖 7. PRBS13Q 測(cè)試模式的功率級(jí)別 P0 和 P3 示例（參考 IEEE 802.3 第 121 條）