In den Handbüchern von optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen konzentrieren wir uns normalerweise auf ER und OMA in Bezug auf DML oder EML. Also, was bedeuten sie? In welchem Zusammenhang stehen die beiden Indikatoren? Was sind ihre angemessenen Werte? Wie kann man sie testen? Lassen Sie uns mit diesen Fragen über ER und OMA sprechen.
- Definition und Berechnung
ER, Extinktionsverhältnis, bezieht sich auf das Verhältnis der Lichtleistungen, wenn das Signal mit hohem und niedrigem Pegel gesendet wird, nämlich:
Formel (1)
Was im Handbuch jedoch normalerweise zu sehen ist, ist seine logarithmische Form, dh ERdB = 10 * log10 (ER). Wenn die optische Leistung P1 und P0 des Sendens von „1“ und „0“ beide in dBm-Einheiten angegeben sind, ist das logarithmische Extinktionsverhältnis gleich der Differenz zwischen den beiden Leistungen, dh ERdB) = P1(dBm) – P0(dBm).
OMA, optische Modulationsamplitude, bezieht sich auf die Differenz der optischen Leistung zwischen hohem und niedrigem Pegel, nachdem das optische Signal moduliert wurde, nämlich:
Formel (2)
Offensichtlich stellen sowohl ER als auch OMA den Unterschied in der optischen Leistung zwischen Hochpegel- und Niedrigpegelsignalen dar, aber ER stellt einen relativen Unterschied dar, während OMA einen absoluten Unterschied darstellt.
- Bedeutungen und Umrechnung
Warum sind ER und OMA wichtig?
Je größer die optische Leistungsunterscheidung zwischen „1“ und „0“, desto einfacher ist es, „1“ und „0“ am Empfangsende zu unterscheiden, und die Bitfehlerrate (BER) wird kleiner. Tatsächlich ist es einfach, dies theoretisch zu beweisen.
Die Definition des Gütefaktors Q ergibt sich aus der folgenden Formel:
Formel (3)
Der Zähler ist die Differenz zwischen den optischen Leistungen der hohen und niedrigen Pegel, d. h. OMA, und der Nenner ist die Summe der Standardabweichungen der hohen und niedrigen Pegel, was tatsächlich die Größe des Rauschens darstellt. Bei durch thermisches Rauschen begrenzten PIN-Empfängern entsprechen hohe und niedrige Pegel demselben Rauschen. Somit wird für einen gegebenen Empfänger der Q-Faktor nur durch den OMA bestimmt. Es gibt eine funktionale Beziehung zwischen Q und BER, nämlich:
Formel (4)
Daher spiegelt die Differenz der optischen Leistungen zwischen den hohen und niedrigen Pegeln direkt die Leistung des optischen Moduls wider. Gibt es also eine Beziehung zwischen diesen beiden Indikatoren zur Messung des Unterschieds in der optischen Leistung?
Um das Verhältnis zwischen relativer Differenz und absoluter Differenz zu bestimmen, ist es notwendig, eine Zwischengröße als Referenz einzuführen. Dieser Betrag ist die üblicherweise verwendete durchschnittliche optische Leistung Pave. Es ist definiert als:
Formel (5)
Wenn wir die Formeln (1), (2) und (3) kombinieren, können wir nach Variablensubstitution leicht die Beziehung zwischen OMA und ER erhalten, indem wir die Zwischengröße Pave verwenden.
Formel (6)
Formel (7)
Und die Beziehung zwischen P1, P0 und ER und Pave.
Formel (8)
Formel (9)
Aus (3) ~ (7) können wir wissen, dass nur zwei der fünf Größen P1, P0, Pave, ER und OMA unabhängig sind, und wir können die anderen Werte erhalten, wenn zwei der obigen Werte gegeben sind. Auf dieser Grundlage werden wir in der folgenden Analyse Pave und ER für die weitere Analyse auswählen. Natürlich gibt es immer noch einen Unterschied zwischen ER und OMA. Nachdem das optische Signal gedämpft wurde, bleibt das ER unverändert, aber die OMA nimmt gemäß dem Signaldämpfungskoeffizienten ab und umgekehrt nach der optischen Verstärkung.
ER und OMA können im Augendiagramm deutlich dargestellt werden. Je größer ER und OMA, desto besser die Öffnung im Diagramm.
Abbildung 1 Beispiel eines OMA in einem Augendiagramm
- Der Preis und der tatsächliche Wert von ER
Die obige Analyse ist nur aus der Perspektive der Empfängerempfindlichkeit (oder BER). Ein größeres ER oder OMA ist gut zur Verbesserung der BER. Es kann weiter berechnet werden, dass, wenn ER unendlich ist, die Energiekosten, die durch begrenztes ER eingeführt werden, wie folgt sind:
Formel (10)
Aus der obigen Formel ist ersichtlich, dass für ein ER von etwa 6 dB (wie DML) die eingeführte Leistungseinbuße etwa 2 dB beträgt und für ein ER von etwa 9 dB (wie EML) die eingeführte Leistungseinbuße beträgt etwa 1dB. Dies erklärt auch, warum EML normalerweise besser abschneidet als DML, teilweise weil EML ein höheres Extinktionsverhältnis hat. Ist bei direkt modulierten Modulen je höher das Extinktionsverhältnis, desto besser?
Sehen wir uns zuerst an, wie das Extinktionsverhältnis von DML verbessert werden kann. Per Definition geht es darum, den relativen Unterschied zwischen den optischen Leistungen des Lasers an und zu vergrößern off. Der direkteste Weg besteht darin, die Amplitude der Treiberspannung zu erhöhen und die Differenz zwischen dem hohen Pegel und dem niedrigen Pegel zu erhöhen. Das bringt aber zwei Probleme mit sich.
Einerseits führt die Erhöhung der Treiberspannungsamplitude leicht zu einer alternierenden Änderung der Ladungsträgerdichte in der DML, was eine Änderung des Brechungsindex des aktiven Bereichs bewirkt, die Wellenlänge des Lasers driftet und der Der Strom driftet aufgrund der Wellenlänge des Lasers, allgemein bekannt als Chirp. Das Endergebnis ist, dass die Wellenlänge des optischen Signals mit niedrigem Pegel lang und die Wellenlänge des optischen Signals mit hohem Pegel kurz ist. Die Übertragungsgeschwindigkeit der beiden in der Faser ist unterschiedlich, wodurch die Bandbreitenerweiterung des Zeitbereichs des Signals verursacht wird, was zu Intersymbolinterferenz (ISI) führt. Daher kann ein hohes ER auch die Chirp-Penalty für DML erhöhen.
Andererseits benötigt die Umstellung des Lasers von niedriger Leistung (P0) auf hohe Ausgangsleistung (P1) Zeit, die mit der Laufzeit des Trägers zusammenhängt. Wenn die Leistungsdifferenz größer wird, erhöht sich die Laufzeit, wodurch die Modulationsbandbreite verringert wird. Daher ist das ER von Hochgeschwindigkeits-DML normalerweise kleiner.
Wie groß ist die Notaufnahme in Wirklichkeit? Sie hängt von der DC-Vorspannung der DML ab. Wie in Abbildung 2 gezeigt, liegt der Vorspannungspunkt von DML normalerweise in der Nähe des Schwellenwerts, um die elektrooptische Verzögerung, die Relaxationsoszillation und den Mustereffekt bei Hochgeschwindigkeits-DML zu reduzieren, was bedeutet, dass der Laser beim Senden von „0“ ist emittiert auch Licht, das heißt, P0 ist nicht 0, was offensichtlich ER reduziert.
Bild 2 Typische PI-Kennlinie eines Halbleiterlasers
Für den Empfänger gibt es eine optische Überlastleistung PRth, das heißt, wenn die empfangene durchschnittliche optische Leistung diesen Wert überschreitet, ist der Empfänger gesättigt und kann nicht normal arbeiten. Daher darf P1 während des normalen Betriebs 2PRth – P0 nicht überschreiten, sodass das maximale Extinktionsverhältnis ER max = 2PRth/P0 – 1 ist.
Abbildung 3 zeigt die Beziehung zwischen der Leistungsstrafe und dem ER, berechnet nach Formel (8). Es hat sich herausgestellt, dass, wenn das ER 20 dB übersteigt, es grundsätzlich keine Auswirkung auf die Leistung gibt. Nach Überschreiten von 15 dB hat die ER-Verbesserung wenig Einfluss auf die Leistungsverbesserung. Daher kann ein zu hohes ER den Stromverbrauch erhöhen.
Für 25G-NZR-Signale beträgt das ER von kommerziellem DML normalerweise 4 bis 6 dB, während das ER von EML 8 bis 10 dB beträgt.
Abbildung 3 Leistungseinbußen aufgrund des endlichen Extinktionsverhältnisses
4. Optisches Modul und ER-Test
Lassen Sie uns darüber sprechen, wie man ER testet. Tatsächlich ist es einfach, ER zu zitieren, aber das gesamte optische Modul muss ausgiebig getestet werden, wie in Abbildung 4 gezeigt.
Abbildung 4 Schematische Darstellung der wichtigsten Prüfpunkte des optischen Nahbereichsmoduls
Auf der Sendeseite gibt es zwei Haupttests, 1 ist das elektrische Augendiagramm des Eingangssignals, um sicherzustellen, dass die Qualität des Eingangssignals gut genug ist. 2 besteht darin, die Qualität des modulierten optischen Signals zu testen, wie z. B. optisches Augendiagramm, ER und OMA. Üblicherweise wird ein Augendiagramminstrument mit einem optischen Port verwendet, das auch als Digital Communication Analyzer (DCA) bezeichnet wird. Wenn kein optischer Anschluss vorhanden ist, verwenden Sie einen Fotodetektor (PD) mit großer Bandbreite, um ihn in Elektrizität umzuwandeln, und sehen Sie sich dann das Diagramm des elektrischen Auges an. Das Augendiagramminstrument kann das Augendiagramm messen und OMA, ER, Pave und andere Parameter anzeigen. Wir können es einfach direkt lesen. Allerdings hängt auch der Spielraum des übertragenen optischen Augendiagramms durch die Augendiagrammvorlage von der entsprechenden Rate ab. Wie in der Abbildung unten gezeigt, dürfen in den grauen Bereich der Maske keine Signalabtastwerte fallen.
Abbildung 5 Beispiel einer Augendiagrammmaske
Der Test auf der Empfangsseite unterscheidet sich von dem auf der Sendeseite. Im Allgemeinen ist es notwendig, ein schlechtes Signal zu testen, auch Stresstest genannt, um den schlimmsten Fall zu bewerten. Das elektrische Signal, das schließlich vom Empfänger ausgegeben wird, sollte ebenfalls getestet werden, einschließlich Augendiagramm, BER, Jitter und Toleranz der Jitter-Tracking-Fähigkeit.
In der Praxis ist das Testen optischer Module ein sehr komplizierter Prozess. Für unterschiedliche Modelle, unterschiedliche Raten und unterschiedliche Standards sind die Testindikatoren und -methoden nicht genau gleich, und wir sollten unterschiedliche Teststandards und -verfahren befolgen.