光收发模块时域特性测试仿真及实验教学

2018-01-30李明宇阎春生吴兴坤

实验技术与管理 2018年1期

李明宇，阎春生，吴兴坤，龚宇，李晴

(浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州 310027)

随着互联网应用范围的扩大，对光纤网络通信的核心器件——光收发一体模块的需求迅速增加。光收发模块是实现密集波分复用光纤传输的关键器件，并且越来越呈现出功能的复杂性和产品的多样性[1-4]。当前，光收发模块技术向智能化、高速化和高密度互联发展，智能SFP+模块、10G光模块以及并行光纤模块将成为下一代光收发一体模块的亮点[5-9]。

浙江大学信息工程(光电)本科专业的光纤通信实验课程安排在大学四年级上学期。学生在此前学习的课程大多是光通信基础课(例如光通信技术、集成光电子课程)，对实际光通信系统缺乏认识，很少涉及实际的光通信器件和使用光通信器件测试仪表。为了让更多的学生接触到最新、最全面的光通信技术，自2010年始，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室与Keysight、Anritsu、Tektronix以及国内的41所测试仪表公司合作，利用光通信系统仿真软件Optisystem，面向本科生开设了一门光通信实验课程——“光纤通信课程设计”[10-11]。在课程建设初期，听取了华为、中兴、朗讯、安捷伦等光通信企业的意见，与企业共同设计培养目标、制订教学大纲，并邀请诸多企业的工程师协助制订教学计划，使实验教学内容充实、丰富，极大地促进了学生对理论知识的理解及实际操作能力的提高。光收发模块时域特性的测试实验是“光纤通信课程设计”课程中的一节实验。

1 实验设计

1.1 实验目的

了解并评估光发射机和接收机性能的参数以及测试方案。光收发模块的测试包括光谱测试(中心波长、峰值功率)、光功率测试(平均发射光功率)、光眼图测试(消光比)和通过误码率测试，获取光接收机灵敏度。

实验内容包括:

(1) 掌握光谱仪的使用方法，利用光谱仪测试光发射机的光谱；

(2) 了解眼图的形成原理，理解抖动产生的原理，学会利用眼图来评估数字传输系统的数据传输能力，学会利用眼图观察信号的抖动；

(3) 理解消光比的概念，掌握消光比的测试方法；

(4) 理解光接收机灵敏度的概念、掌握光接收机灵敏度的测试方法；

(5) 熟悉Optisystem软件的使用，用软件模拟光收发模块时域特性测试，并将模拟结果与实验结果相对比。

1.2 实验原理

1.2.1 光发射机眼图测试原理

眼图方法是非常简单和有效的评估数字传输系统数据处理能力的测量方法，被广泛地应用于评估无线系统和光纤数据链路的性能。眼图测量的方法是利用眼图仪在时域测试波形失真的情况。眼图是三比特的NRZ码，有8种可能图样的叠加，不是仅一次扫描的图形。使用误码仪的码型发生器产生眼图测试时需要伪随机数据信号。

在工程实际应用中，能够从眼图中得到很多系统性能信息。眼图张开的宽度指定了接收信号的抽样间隔，在此间隔内抽样能最大限度地减少码间串扰的影响，从而不发生误码。接收波形的最佳抽样时间在眼睛张开最大处，眼睛张开的高度表示了噪声容限或者抗噪声的能力。信道的任何非线性传输特性都会导致产生眼图的不对称性，如果完全随机的数据流通过理想的线性系统，张开的眼睛是不变的，也是对称的。

图1所示为光发射机特性测试原理。首先用光谱仪测出光发射机的光谱，判断光源类别，并观察用不同码速调制光源后光谱的变化情况；然后用光眼图仪测试消光比。

图1 光发射机特性测试原理

消光比(ER)是评价光发射机性能的重要参数之一，是光发送系统在“0”比特时的输出功率P0与在“1”比特时的输出功率P1之比的对数值的10倍，用dB表示为

消光比可以从眼图仪表上直接测出。虽然消光比越大则发射机性能越好，但是也要考虑信号的对称性等因素。

1.2.2 光接收机灵敏度测试原理

灵敏度是光接收机的重要特性指标之一，是在给定的误码率(BER)或信噪比条件下光接收机所能接收的最小光功率，反映光接收机接收微弱信号的能力。光接收机灵敏度测试原理如图2所示。误码测试仪向光发射机送入测试信号，测试信号为伪随机码。调整光衰减器，逐步增大光衰减，使输入光接收机的光功率逐步减小、系统处于误码状态。然后，逐步减小光衰减器的衰减，逐渐增加光接收机的输入光功率，使误码逐渐减少。当在一定的观察时间内，使误码个数少于某一要求时，即达到系统所要求的误码率，此时测得光功率即为光接收机的最小可接收光功率。

图2 光接收机灵敏度测试原理

1.3 实验用到的仪表和测试器件

实验用的设备都是光通信企业和科研院(所)测试用的仪器。由于仪器比较昂贵，所以本实验课程使用的仪器有一部分来自于教学和科研设备，一部分从光通信测试仪表公司租借。实验仪器包括:用于测量光发射机特性的眼图仪和测量光接收机特性的眼图仪；用于测量光发射机光谱和功率特性的光谱仪和光功率计；法兰；光纤接头清洁器；连接仪表和测试器件的电缆和光纤跳线等。

2 实验原理以及Optisystem软件仿真

本实验可以利用Optisystem软件进行仿真。根据图1所示光发射机特性测试原理构建软件仿真原理图(见图3)。光发射机由激光器和马赫-曾德尔调制器构成，信号发生器由伪随机码发生器和非归零码(NRZ)脉冲发生器构成。用2个光谱仪分别测试激光器在调制前后的输出光谱特性。

2.1 光发射机光谱特性测试仿真实验

图3 光发射机光谱特性仿真原理

首先观察激光器在调制前后谱线宽度的变化。激光器输出光谱仿真结果如图4(a)所示。因为光谱中只有1个峰值，可知发射机的光源为DFB激光器，中心波长1 550 nm，激光器的线宽0.08 pm。在10 Gbit/s调制速率下，激光器的线宽展宽约为0.08 nm，如图4(b)所示。调制后激光器线宽被展宽，会增加色散、引起码间干扰，进而增大光通信系统中的误码率。

图4 光发射机的光谱

2.2 光发射机眼图测试仿真实验

利用Optisystem软件设计的光发射机眼图仿真方案如图5所示。

图5 眼图测量法的基本原理

将图3中的光谱仪改成眼图仪就可仿真光发射机眼图测试实验。为了保证测试结果的一致性，眼图测试需要加入滤波器，滤波器的带宽为码速的0.75倍。

用误码仪中的码型发生器作为信号发生器，伪随机比特流发生器的数据输出端通过光纤链路连接到示波器的垂直输入端，时钟输出端触发示波器水平扫描(示波器的扫描周期应为码元宽度或其整数倍)，得到的眼图如图6所示。从眼图上可以看出，光发射机输出的眼图最大Q值为194.82，最小的误码率为0。

2.3 光接收机灵敏度测试仿真实验

根据图2所示光接收机灵敏度测试原理设计了软件仿真原理图(见图7)。通过调谐可调光衰减器，可以改变入射到光接收机上的光功率，从而得到不同入射光功率下的误码率(见图8)。

图6 光发射机眼图模拟测试结果

图7 光接收机灵敏度测试原理图

图8 误码率随入射光功率变化曲线

从图8可知，误码率随着接收机接收到的功率增大而减小，定义10-12误码率下为接收机的灵敏度，接收机灵敏度约为-21 dBm。从图9可见，当接收机接收到的光功率为-22.6 dBm时，误码率在10-4，眼图的消光比很小，Q值只有3.7。

图9 接收机光功率为-22.6 dBm时的眼图

3 实验结果与讨论

3.1 光发射机光谱特性测试

本实验用到2种光发射机模块，分别为电吸收调制的DFB激光器发射机和直接调制的FP激光器发射机，利用光谱仪测量两种激光器的光谱以区分它们(见图10)。按照图1的方案，连接光谱仪、信号发生器与被测试的光发射机。

图10 2个光发射机光谱特性测试图

由图10(a)可见，在光谱上可观察到多个纵模，可以判断是FP激光器，峰值最高的波长为中心波长，中心波长为1 315.56 nm，峰值功率为-7.21 dBm。图10(b)显示DFB激光器在光谱上是单一纵模，中心波长为1 537.32 nm，峰值功率为-2.8 dBm。

在DFB激光器发射机上加10 Gbit/s的调制信号和不加调制信号的输出光谱如图11所示，光谱仪的分辨率为50 pm。从图11中可以明显看出：当加10 Gbit/s的调制信号时，光源的光谱相对于无调制时明显展宽约80 pm，中心波长位置漂移约50 pm，中心波长的输出功率提高了约2.1 dBm，与图4的仿真结果是一致的。

图11 光发射机在10 GBit/s调制和无调制下的光谱

3.2 光发射机特性测试的结果分析

按照图5组建眼图测试系统。为测试10 Gbit/s的眼图，所以眼图仪的滤波器带宽选择7.5 GHz，发射机的光功率为-14.5 dBm。调制速率为10 Gbit/s，实验测得消光比约为10.44 dB，信号幅度的10% ～90%的时间间隔为上升沿，约为56 ps。

3.3 光接收机特性测试的结果分析

根据图7构建光接收机灵敏度测试系统。分别测试了调制速率为2.5 Gbit/s、5 Gbit/s和10 Gbit/s时光接收机的误码率，如图12所示。为了测试方便，利用实验数据进行曲线拟合，估算出在误码率为10-12时接收机的灵敏度分别为-14.518 dBm，-14.187 dBm和-13.057 dBm。可见，随着接收机接收到的光功率降低，误码率是增加的。为了降低误码率，需要增加接收机接收到的光功率。从图12的测试结果可知，当传输的码速增加时，为了获得相同的误码率，需要提高发射机的光功率。