En los manuales de módulos ópticos de alta velocidad, generalmente nos enfocamos en ER y OMA relacionados con DML o EML. Entonces, ¿qué significan? ¿Cuál es la relación entre los dos indicadores? ¿Cuáles son sus valores apropiados? ¿Cómo probarlos? Hablemos de ER y OMA con estas preguntas.
- Definición y cálculo
ER, relación de extinción, se refiere a la relación de potencias de luz cuando la señal se envía a nivel alto y nivel bajo, a saber:
Fórmula 1)
Sin embargo, lo que se suele ver en el manual es su forma logarítmica, es decir, ERdB = 10*log10(ER). Si las potencias ópticas P1 y P0 de envío de "1" y "0" están ambas en unidades de dBm, la relación de extinción logarítmica es igual a la diferencia entre las dos potencias, es decir, ERdB) = P1(dBm) -P0(dBm).
OMA, amplitud de modulación óptica, se refiere a la diferencia de potencia óptica entre el nivel alto y el nivel bajo después de modular la señal óptica, a saber:
Fórmula 2)
Obviamente, tanto ER como OMA representan la diferencia de potencia óptica entre señales de alto y bajo nivel, pero ER representa una diferencia relativa, mientras que OMA representa una diferencia absoluta.
- Significados y conversión
Entonces, ¿por qué son importantes ER y OMA?
Cuanto mayor sea la discriminación de potencia óptica entre "1" y "0", más fácil será distinguir "1" y "0" en el extremo receptor, y la tasa de error de bit (BER) será menor. De hecho, es fácil probar esto en teoría.
La definición del factor de calidad Q se muestra como la siguiente fórmula:
Fórmula 3)
El numerador es la diferencia entre las potencias ópticas de los niveles alto y bajo, es decir, OMA, y el denominador es la suma de las desviaciones estándar de los niveles alto y bajo, que en realidad representa el tamaño del ruido. Para receptores PIN con limitación de ruido térmico, los niveles alto y bajo corresponden al mismo ruido. Así, para un receptor dado, el factor Q está determinado únicamente por la OMA. Hay una relación funcional entre Q y BER, a saber:
Fórmula 4)
Por lo tanto, la diferencia de potencias ópticas entre los niveles alto y bajo refleja directamente el rendimiento del módulo óptico. Entonces, ¿hay alguna relación entre estos dos indicadores para medir la diferencia de potencia óptica?
Para determinar la relación entre diferencia relativa y diferencia absoluta, es necesario introducir una cantidad intermedia como referencia. Esta cantidad es la pavimentación de potencia óptica promedio comúnmente utilizada. Se define como:
Fórmula 5)
Combinando las fórmulas (1), (2) y (3), después de la sustitución de variables, podemos obtener fácilmente la relación entre OMA y ER usando la cantidad intermedia Pave.
Fórmula 6)
Fórmula 7)
Y la relación entre P1, P0 y ER y Pave.
Fórmula 8)
Fórmula 9)
De (3) ~ (7), podemos saber que solo dos de las cinco cantidades P1, P0, Pave, ER y OMA son independientes, y podemos obtener los otros valores si se dan dos cualesquiera de los valores anteriores. Con base en esto, en el siguiente análisis, elegiremos Pave y ER para un análisis más detallado. Por supuesto, todavía hay una diferencia entre ER y OMA. Después de atenuar la señal óptica, la ER permanece sin cambios, pero la OMA disminuye de acuerdo con el coeficiente de atenuación de la señal y viceversa después de la amplificación óptica.
ER y OMA se pueden mostrar claramente en el diagrama del ojo. Cuanto más grandes sean ER y OMA, mejor será la apertura en el diagrama.
Figura 1 Ejemplo de un OMA en un diagrama de ojo
- El precio y el valor real de ER
El análisis anterior es solo desde la perspectiva de la sensibilidad del receptor (o BER). Una ER u OMA más grande es buena para mejorar la BER. Se puede calcular además que cuando ER es infinito, el costo de energía introducido por ER limitado es:
Fórmula 10)
A partir de la fórmula anterior, se puede ver que para una ER de unos 6 dB (como DML), la penalización de potencia introducida es de unos 2 dB, y para una ER de unos 9 dB (como EML), la penalización de potencia introducida es de aproximadamente 1 dB. Esto también explica por qué EML generalmente funciona mejor que DML, en parte porque EML tiene una tasa de extinción más alta. Para módulos de modulación directa, ¿cuanto mayor sea el índice de extinción, mejor?
Veamos primero cómo mejorar la tasa de extinción de DML. Por definición, es aumentar la diferencia relativa entre las potencias ópticas del láser en y off. La forma más directa es aumentar la amplitud del voltaje de activación y aumentar la diferencia entre el nivel alto y el nivel bajo. Pero esto trae dos problemas.
Por un lado, el aumento de la amplitud del voltaje de excitación conducirá fácilmente al cambio alterno de la densidad de la portadora en el DML, lo que provocará el cambio del índice de refracción del área activa, la longitud de onda del láser se desviará y la la corriente se desplazará debido a la longitud de onda del láser, comúnmente conocida como chirrido. El resultado final es que la longitud de onda de la señal óptica de bajo nivel es larga y la longitud de onda de la señal óptica de alto nivel es corta. La velocidad de transmisión de los dos en la fibra es diferente, lo que provoca la expansión del ancho de banda del dominio del tiempo de la señal, lo que lleva a la interferencia entre símbolos (ISI). Por lo tanto, una ER alta también puede aumentar la penalización de chirrido para DML.
Por otro lado, la conversión del láser de baja potencia (P0) a alta potencia de salida (P1) lleva tiempo, que está relacionado con el tiempo de tránsito del portador. Cuando la diferencia de potencia sea mayor, el tiempo de tránsito aumentará, reduciendo así el ancho de banda de modulación. Por lo tanto, la ER de DML de alta velocidad suele ser más pequeña.
¿Qué tan grande es la sala de emergencias en realidad? Depende del sesgo DC del DML. Como se muestra en la Figura 2, para reducir el retardo electroóptico, la oscilación de relajación y el efecto de patrón en DML de alta velocidad, el punto de polarización de DML suele estar cerca del valor umbral, lo que significa que al enviar "0", el láser también está emitiendo luz, es decir, P0 no es 0, lo que obviamente reduce ER.
Figura 2 Curva característica típica de PI de un láser semiconductor
Para el receptor existe una sobrecarga de potencia óptica PRth, es decir, cuando la potencia óptica media recibida supera este valor, el receptor se satura y no puede funcionar con normalidad. Por lo tanto, se requiere que P1 no exceda 2PRth-P0 durante la operación normal, por lo que la tasa de extinción máxima es ER max = 2PRth/P0-1.
La figura 3 muestra la relación entre la penalización de potencia y la ER calculada por la fórmula (8). Se encuentra que cuando la ER supera los 20 dB, básicamente no hay impacto en el rendimiento. Después de superar los 15 dB, la mejora de ER tiene poco efecto sobre la mejora del rendimiento. Por lo tanto, una ER demasiado alta puede aumentar el consumo de energía.
Para señales 25G NZR, la ER de DML comercial suele ser de 4 a 6 dB, mientras que la ER de EML es de 8 a 10 dB.
Figura 3 Penalización de potencia debido a la tasa de extinción finita
4. Módulo óptico y prueba ER
Hablemos de cómo probar ER. De hecho, es fácil detectar ER, pero es necesario probar mucho todo el módulo óptico, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4 Diagrama esquemático de los principales elementos de prueba del módulo óptico de corto alcance
En el extremo de envío, hay dos pruebas principales, 1 es el diagrama de ojo eléctrico de la señal de entrada para garantizar que la calidad de la señal de entrada sea lo suficientemente buena. 2 es para probar la calidad de la señal óptica modulada, como el diagrama de ojo óptico, ER y OMA. Generalmente se utiliza un instrumento de diagrama de ojo con un puerto óptico, también llamado analizador de comunicación digital (DCA). Si no hay un puerto óptico, use un fotodetector (PD) de gran ancho de banda para convertirlo en electricidad y luego mire el diagrama del ojo eléctrico. El instrumento de diagrama de ojo puede medir el diagrama de ojo y mostrar OMA, ER, Pave y otros parámetros. Podemos leerlo directamente. Sin embargo, también depende del margen del diagrama de ojo óptico transmitido a través de la plantilla de diagrama de ojo de la tasa correspondiente. Como se muestra en la figura a continuación, el área gris de la máscara no debe tener muestras de señal cayendo en ella.
Figura 5 Ejemplo de máscara de diagrama de ojo
La prueba en el extremo receptor es diferente a la del extremo emisor. Generalmente, es necesario probar una mala señal, también llamada prueba de estrés, para evaluar el peor de los casos. La señal eléctrica finalmente emitida por el receptor también debe probarse, incluido el diagrama de ojo, la BER, la fluctuación de fase y la tolerancia de la capacidad de seguimiento de la fluctuación de fase.
En la práctica, probar módulos ópticos es un proceso muy complicado. Para diferentes modelos, diferentes tasas y diferentes estándares, los indicadores y métodos de prueba no son exactamente los mismos, y debemos seguir diferentes estándares y procedimientos de prueba.