光信号眼图校准模块设计

高 佳蔡蓓蕾李 慧吕志祥

（军蓝科技集团总公司，北京 102200）

1 引 言

眼图是通讯信号质量判定的重要参数之一，眼图参数测量功能是高速光通信波形以及眼图测试的重要工具。 随着40 Gbit／s 高速数据光通信的发展，每个码元占用25 ps 或者更小；不仅需要精确测量眼高度、眼宽度、消光比等参数，还需要提高时基测量能力和飞秒级抖动测量能力。 重点介绍光信号眼图校准模块的设计，通过测试结果的比较分析抖动、码速率对眼图的影响。

2 眼图校准模块的设计

2.1 眼图测量的参数

眼图测量的参数主要有抖动、消光比、上升沿、下降沿、零电平、高电平、眼幅度、眼高度、眼宽度等参数。 抖动主要描述一个真实信号与理想信号之间的不稳定性，抖动分为峰峰值抖动和有效值抖动；消光比主要指数据信号高电平功率与低电平功率之比；眼幅度定义为高电平与低电平之差；在理想情况下，眼高度与眼幅度相同，但考虑到噪声的标准偏差以及高电平的波动，眼高度定义为：

式中：——为眼图额高电平；——为噪声的标准偏差；——为眼图的低电平。

眼宽度的定义与眼高度的定义相似，如图1所示。

图1 眼图参数定义示意图Fig.1 Schematic diagram of eye diagram parameter definition

2.2 眼图校准模块的设计

要对光通信信号分析仪的眼图功能校准，必须产生标准光眼图对应的信号，理想的眼图信号具有抖动小、上升沿／下降沿陡、信噪比高等特点。 通过外部光学调制技术，利用电信号改变电光晶体的折射率原理，实现对光信号的调制的过程。 参照光发送机的原理，校准模块必须有窄线宽激光器、高速数据信号发生器、数字光调制器、调制器驱动器、偏振控制器等；设计框图如图2所示。

图2 眼图校准模块的设计框图Fig.2 Design block diagram of eye diagram calibration module

窄线宽激光器采用高精度的自动功率控制和自动温度控制技术，使光源输出的波长和功率具有很高的稳定度，同时光源的线宽要足够窄，大幅度降低光源由于色散造成信噪比下降的影响。 高速数据信号发生器主要用来产生理想的电信号眼图，为光调制器提供理想的调制信号。 高速数据信号需要具有超快的上升沿、下降沿和很高的信噪比，同时码速率和信号电平连续可调，可以产生高速的伪随机序列。 微波驱动器主要作用是将高速数据信号放大，并驱动光调制器，使其输出的光强度按照高速数据信号发生器输出的序列输出光信号；微波驱动器需要具有足够的带宽、高增益、低抖动、超快脉冲响应等性能。 高速光调制器主要作用是将电信号调制到光载波上，使电信号在光信号上传输。 偏振控制器通过接收光耦合器输出的光信号，调整输出电压，控制高速光调制器的偏置点，使光调制器输出理想的无失真光信号。

3 实验装置及结果

3.1 试验装置的选择

理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但对于实际激光器，如果不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。 含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。 含有纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。 设计中选用的是1 550 nm 单频可调光纤激光器，这种型号的激光器很好的解决了激光光束质量与激光功率的矛盾。 该激光器最大的特点就是线宽超窄至1 MHz，频率稳定性好于10 MHz，具有超长相干长度和超低噪声，边模抑制比高于50 dB。 输出功率＞20 mW；功率稳定度≤0.02 dB（8 h）。

眼图校准模块的测试框图如图3所示，在设计中选用安捷伦公司的N4906 误码仪作为标准的序列产生器。 N4906 可以产生150 Mbit／s～3.6 Gbit／s高速数字信号，信号的上升沿为10 ps，抖动有效值小于1 ps。 因此N4906 作为标准序列发生器，对眼图参数引入的误差比较小。 微波信号驱动器选用Centenllax 公司的OA4MVM3；OA4MVM3 驱动带宽为45 GHz，增益27 dB，上升沿小于8 ps，抖动添加量小于0.5 ps，因此微波驱动器对整个眼图校准模块的抖动影响很小。 光调制器选择40 Gbit／s 光强度调制器，尽最大可能降低光调制器对光眼图的影响。

图3 眼图校准模块的测试框图Fig.3 Test block diagram of eye diagram calibration module

3.2 测试结果与分析

测试设备选择安捷伦公司86100 主机及86116C宽带光接收机模块。 86116C 提供65 GHz 光接收带宽，配合86100 主机使用，可以最大限度降低测试设备引入的误差。 一个40 Gbit／s 信号的上升沿和下降沿大约为10 ps，归零码的数据格式可能具有更快的上升沿和下降沿。 如果测试设备带宽不够宽，频率响应得不到控制，测试波形将会出现上冲、下冲、振铃等现象。 30 GHz，40 GHz，65 GHz 光接收机测试结果如图4所示，结果表明：随着测量设备带宽的提高，对上升沿和下降沿影响变小，波形的失真也逐渐变小。

图4 不同带宽冲激响的比较波形图Fig.4 Comparison of impulse response with different bandwidth

86100 主机的抖动有效值大约1.5 ps，抖动峰峰值达到9 ps；对于一个40 Gbit／s 的高速信号，每比特25 ps，测试设备自身的抖动已经足以导致眼睛闭合，因此测试40 Gbit／s 的高速信号，需要提高时基精度，大幅降低测试设备的抖动。 减低抖动有效方法是改变86100 的触发通道，通过86107A 时基精密模块触发波形。 86107A 是安捷伦公司推出的时基精密模块，可以将86100 主机的抖动降低到200 fs（RMS），同时触发带宽扩展到40 GHz，使测量结果接近真实信号。 86100 主机采用86107A 测量抖动的比较结果如图5所示，测试结果表明：提高时基精度、降低测试设备自身抖动，有利于高速光信号眼图的测量。

图5 是否使用86107A 抖动对比测量结果图Fig.5 Comparison of measurement results using 86107A jitter or not

基于上述分析，选择86100 主机，并配65 GHz光接收带宽86116C 模块和时基精密模块86107A，进行眼图测试。 通过多次试验，总结出眼图的眼宽、抖动和眼高是误码率、PRBS 码长度的函数。 理想眼图测试结果如图6（a）所示，抖动为14.8 ps；添加误码后抖动测试结果如图6（b）所示，抖动为18.1 ps，两者相差3.3 ps。 PRBS（2－1）眼图模式抖动测试结果如图6（c） 所示，抖动峰峰值为23.7 ps；PRBS（2－1）眼图模式抖动测试结果如图6（d）所示，抖动峰峰值为25 ps，两者差1.3 ps。

图6 眼图模式抖动测试结果图Fig.6 Test results of eye pattern jitter

测试结果还表明：消光比（ER）、光调制幅度（OMA）与码速率有关。 统计了消光比、光调制幅度的偏差与码速率关系，如图7所示。

图7 消光比、光调制幅度测量误差图Fig.7 Measurement error of extinction ratio and optical modulation amplitude

4 结束语

采用本光信号眼图校准模块设计方法，充分考虑了可调谐激光器的出光功率、偏振方向、光调制启、微波放大器引入的误差以及被测设备自身的抖动、时基误差等因素，综合分析了光通信信号分析仪眼图校准模块的性能，同时为光通信信号分析仪眼图功能的校准提供了一种思路。 通过实验验证了此校准方案的有效性、可行性。 试验结果表明：理想的眼图不仅与光源、调制器、码型发生器等器件性能有关，而且与信号的码速率、码长度等参数有关，因此，在每次改变码速率、码长度等参数时，必须先校准，再进行眼图测试。