Dans les manuels des modules optiques à grande vitesse, nous nous concentrons généralement sur ER et OMA liés à DML ou EML. Alors, que signifient-ils ? Quelle est la relation entre les deux indicateurs ? Quelles sont leurs valeurs appropriées ? Comment les tester ? Parlons de ER et OMA avec ces questions.
- Définition et calcul
ER, taux d'extinction, désigne le rapport des puissances lumineuses lorsque le signal est émis à haut niveau et à bas niveau, à savoir :
Formule (1)
Cependant, ce qui est généralement vu dans le manuel est sa forme logarithmique, c'est-à-dire ERdB = 10*log10(ER). Si les puissances optiques P1 et P0 d'émission « 1 » et « 0 » sont toutes deux en unités dBm, le taux d'extinction logarithmique est égal à la différence entre les deux puissances, c'est-à-dire ERdB) = P1(dBm) -P0(dBm).
OMA, amplitude de modulation optique, fait référence à la différence de puissance optique entre le niveau haut et le niveau bas après la modulation du signal optique, à savoir :
Formule (2)
De toute évidence, ER et OMA représentent la différence de puissance optique entre les signaux de haut niveau et de bas niveau, mais ER représente une différence relative, tandis que OMA représente une différence absolue.
- Significations et conversion
Alors, pourquoi ER et OMA sont-ils importants ?
Plus la discrimination de puissance optique entre "1" et "0" est grande, plus il est facile de distinguer "1" et "0" à l'extrémité de réception, et le taux d'erreur binaire (BER) sera plus petit. En fait, il est facile de le prouver en théorie.
La définition du facteur de qualité Q est représentée par la formule suivante :
Formule (3)
Le numérateur est la différence entre les puissances optiques des niveaux haut et bas, c'est-à-dire OMA, et le dénominateur est la somme des écarts-types des niveaux haut et bas, ce qui représente en fait la taille du bruit. Pour les récepteurs PIN à bruit thermique limité, les niveaux haut et bas correspondent au même bruit. Ainsi, pour un récepteur donné, le facteur Q n'est déterminé que par l'OMA. Il existe une relation fonctionnelle entre Q et BER, à savoir :
Formule (4)
Par conséquent, la différence de puissances optiques entre les niveaux haut et bas reflète directement les performances du module optique. Alors, y a-t-il une relation entre ces deux indicateurs pour mesurer la différence de puissance optique ?
Afin de déterminer la relation entre la différence relative et la différence absolue, il est nécessaire d'introduire une grandeur intermédiaire comme référence. Cette quantité est la puissance optique moyenne couramment utilisée Pave. Il est défini comme :
Formule (5)
En combinant les formules (1), (2) et (3), après substitution de variables, on peut facilement obtenir la relation entre OMA et ER en utilisant la quantité intermédiaire Pave.
Formule (6)
Formule (7)
Et la relation entre P1, P0 et ER et Pave.
Formule (8)
Formule (9)
De (3) ~ (7), nous pouvons savoir que seules deux des cinq quantités P1, P0, Pave, ER et OMA sont indépendantes, et nous pouvons obtenir les autres valeurs si deux des valeurs ci-dessus sont données. Sur cette base, dans l'analyse suivante, nous choisirons Pave et ER pour une analyse plus approfondie. Bien sûr, il y a toujours une différence entre ER et OMA. Une fois le signal optique atténué, l'ER reste inchangé, mais l'OMA diminue en fonction du coefficient d'atténuation du signal, et vice versa après amplification optique.
ER et OMA peuvent être clairement indiqués dans le diagramme de l'œil. Plus l'ER et l'OMA sont grands, meilleure est l'ouverture dans le diagramme.
Figure 1 Exemple d'OMA dans un diagramme de l'œil
- Le prix et la valeur réelle des ER
L'analyse ci-dessus est uniquement du point de vue de la sensibilité du récepteur (ou BER). Un ER ou un OMA plus grand est bon pour améliorer le BER. On peut en outre calculer que lorsque ER est infini, le coût de puissance introduit par ER limité est :
Formule (10)
D'après la formule ci-dessus, on peut voir que pour un ER d'environ 6 dB (comme DML), la pénalité de puissance introduite est d'environ 2 dB, et pour un ER d'environ 9 dB (comme EML), la pénalité de puissance introduite est d'environ 1 dB. Cela explique également pourquoi EML fonctionne généralement mieux que DML, en partie parce que EML a un taux d'extinction plus élevé. Pour les modules à modulation directe, est-ce que plus le rapport d'extinction est élevé, mieux c'est ?
Voyons d'abord comment améliorer le taux d'extinction du DML. Par définition, il s'agit d'augmenter l'écart relatif entre les puissances optiques du laser sur et off. Le moyen le plus direct consiste à augmenter l'amplitude de la tension de commande et à augmenter la différence entre le niveau haut et le niveau bas. Mais cela pose deux problèmes.
D'une part, l'augmentation de l'amplitude de la tension d'entraînement conduira facilement au changement alternatif de la densité de porteurs dans le DML, ce qui entraînera le changement de l'indice de réfraction de la zone active, la longueur d'onde du laser dérivera et le le courant dérivera en raison de la longueur d'onde du laser, communément appelée chirp. Le résultat final est que la longueur d'onde du signal optique de bas niveau est longue et la longueur d'onde du signal optique de haut niveau est courte. La vitesse de transmission des deux dans la fibre est différente, provoquant ainsi l'expansion de la bande passante du domaine temporel du signal, conduisant à des interférences inter-symboles (ISI). Par conséquent, un ER élevé peut également augmenter la pénalité de chirp pour DML.
D'autre part, la conversion du laser d'une faible puissance (P0) à une puissance de sortie élevée (P1) prend du temps, qui est lié au temps de transit du porteur. Lorsque la différence de puissance devient plus grande, le temps de transit augmente, réduisant ainsi la bande passante de modulation. Par conséquent, l'ER du DML à grande vitesse est généralement plus petit.
Quelle est la taille réelle des urgences ? Cela dépend de la polarisation DC du DML. Comme le montre la figure 2, afin de réduire le retard électro-optique, l'oscillation de relaxation et l'effet de motif dans le DML à grande vitesse, le point de polarisation du DML est généralement proche de la valeur de seuil, ce qui signifie que lors de l'envoi de "0", le laser émet également de la lumière, c'est-à-dire que P0 n'est pas 0, ce qui réduit évidemment ER.
Figure 2 Courbe caractéristique PI typique d'un laser à semi-conducteur
Pour le récepteur, il existe une puissance optique de surcharge PRth, c'est-à-dire que lorsque la puissance optique moyenne reçue dépasse cette valeur, le récepteur est saturé et ne peut pas fonctionner normalement. Par conséquent, P1 ne doit pas dépasser 2PRth-P0 en fonctionnement normal, de sorte que le rapport d'extinction maximal est ER max = 2PRth/P0-1.
La figure 3 montre la relation entre la pénalité de puissance et ER calculée par la formule (8). On constate que lorsque l'ER dépasse 20 dB, il n'y a pratiquement aucun impact sur les performances. Après avoir dépassé 15 dB, l'amélioration de l'ER a peu d'effet sur l'amélioration des performances. Par conséquent, un ER trop élevé peut augmenter la consommation d'énergie.
Pour les signaux 25G NZR, l'ER du DML commercial est généralement de 4 à 6 dB, tandis que l'ER de l'EML est de 8 à 10 dB.
Figure 3 Pénalité de puissance due au rapport d'extinction fini
4. Module optique et test ER
Parlons de la façon de tester ER. En fait, il est facile de téter ER, mais l'ensemble du module optique doit être beaucoup testé, comme le montre la figure 4.
Figure 4 Schéma de principe des principaux éléments de test du module optique à courte portée
À l'extrémité d'envoi, il y a deux tests principaux, 1 est le diagramme de l'œil électrique du signal d'entrée pour s'assurer que la qualité du signal d'entrée est suffisamment bonne. 2 est de tester la qualité du signal optique modulé, tel que le diagramme de l'œil optique, ER et OMA. Un instrument à diagramme de l'œil avec un port optique est généralement utilisé, également appelé analyseur de communication numérique (DCA). S'il n'y a pas de port optique, utilisez un photodétecteur à large bande passante (PD) pour le convertir en électricité, puis regardez le schéma de l'œil électrique. L'instrument de diagramme de l'œil peut mesurer le diagramme de l'œil et afficher OMA, ER, Pave et d'autres paramètres. Nous pouvons simplement le lire directement. Cependant, cela dépend également de la marge du diagramme de l'œil optique transmis à travers le modèle de diagramme de l'œil du débit correspondant. Comme le montre la figure ci-dessous, la zone grise du masque ne doit pas contenir d'échantillons de signal.
Figure 5 Exemple de masque de diagramme de l'œil
Le test à la réception est différent de celui à l'envoi. Généralement, il faut tester un mauvais signal, aussi appelé stress test, pour évaluer le pire des cas. Le signal électrique finalement émis par le récepteur doit également être testé, y compris le diagramme de l'œil, le BER, la gigue et la tolérance de la capacité de suivi de la gigue.
En pratique, tester des modules optiques est un processus très compliqué. Pour différents modèles, différents taux et différentes normes, les indicateurs et les méthodes de test ne sont pas exactement les mêmes, et nous devons suivre différentes normes et procédures de test.