고속 광모듈 매뉴얼에서는 주로 DML이나 EML과 관련된 ER과 OMA를 중심으로 다룬다. 그래서 그들은 무엇을 의미합니까? 두 지표 사이의 관계는 무엇입니까? 적절한 값은 무엇입니까? 그들을 테스트하는 방법? 이러한 질문으로 ER과 OMA에 대해 이야기해 봅시다.
- 정의 및 계산
ER, 소광비(extinction ratio)는 신호가 하이 레벨과 로우 레벨로 전송될 때 광 출력의 비율을 의미합니다.
공식 (1)
그러나 일반적으로 매뉴얼에서 볼 수 있는 것은 로그 형식, 즉 ERdB = 10*log10(ER)입니다. "1"과 "0"을 보내는 광 전력 P1과 P0이 모두 dBm 단위인 경우 대수 소멸 비율은 두 전력의 차이, 즉 ERdB) = P1(dBm) -P0(dBm)입니다.
광 변조 진폭(Optical Modulation Amplitude)인 OMA는 광 신호가 변조된 후 하이 레벨과 로우 레벨 사이의 광 출력 차이를 의미합니다.
공식 (2)
분명히 ER과 OMA는 모두 높은 수준과 낮은 수준의 신호 사이의 광 출력 차이를 나타내지만 ER은 상대적인 차이를 나타내고 OMA는 절대적인 차이를 나타냅니다.
- 의미와 변환
그렇다면 ER과 OMA가 왜 중요한가요?
"1"과 "0" 사이의 광 전력 식별이 클수록 수신단에서 "1"과 "0"을 더 쉽게 구별할 수 있으며 비트 오류율(BER)은 더 작아집니다. 사실 이것을 이론적으로 증명하는 것은 쉽습니다.
품질 계수 Q의 정의는 다음 공식으로 표시됩니다.
공식 (3)
분자는 고레벨과 저레벨의 광배율의 차이, 즉 OMA이고 분모는 고레벨과 저레벨의 표준편차의 합으로 실제 잡음의 크기를 나타낸다. 열 잡음 제한 PIN 수신기의 경우 높은 수준과 낮은 수준은 동일한 잡음에 해당합니다. 따라서 주어진 수신기에 대해 Q 인자는 OMA에 의해서만 결정됩니다. Q와 BER 사이에는 다음과 같은 기능적 관계가 있습니다.
공식 (4)
따라서 높은 레벨과 낮은 레벨 사이의 광 출력 차이는 광 모듈의 성능을 직접적으로 반영합니다. 그렇다면 광파워의 차이를 측정하는 이 두 지표 사이에는 어떤 관계가 있을까요?
상대차와 절대차의 관계를 결정하기 위해서는 중간량을 기준으로 도입할 필요가 있다. 이 양은 일반적으로 사용되는 평균 광 파워 Pave입니다. 다음과 같이 정의됩니다.
공식 (5)
공식 (1), (2), (3)을 조합하여 변수 대입 후 중간 수량 Pave를 사용하여 OMA와 ER 간의 관계를 쉽게 얻을 수 있습니다.
공식 (6)
공식 (7)
그리고 P1, P0, ER과 Pave 사이의 관계.
공식 (8)
공식 (9)
(3)~(7)을 통해 P1, P0, Pave, ER, OMA XNUMX가지 수량 중 XNUMX가지만이 독립임을 알 수 있으며, 위의 값 중 XNUMX가지가 주어지면 나머지 값을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이를 바탕으로 다음 분석에서는 추가 분석을 위해 Pave와 ER을 선택하겠습니다. 물론 ER과 OMA 사이에는 여전히 차이가 있습니다. 광신호가 감쇠된 후에도 ER은 변하지 않지만 OMA는 신호 감쇠계수에 따라 감소하고 광증폭 후에는 그 반대이다.
ER 및 OMA는 아이 다이어그램에 명확하게 표시될 수 있습니다. ER 및 OMA가 클수록 다이어그램의 개구부가 더 좋습니다.
그림 1 아이 다이어그램의 OMA 예
- ER의 가격과 실제 가치
위의 분석은 수신기 감도(또는 BER)의 관점에서만 나온 것입니다. 더 큰 ER 또는 OMA는 BER 개선에 좋습니다. ER이 무한대일 때 제한된 ER에 의해 도입된 전력 비용은 다음과 같이 추가로 계산할 수 있습니다.
공식 (10)
위 공식에서 약 6dB의 ER(예: DML)에 대해 도입된 전력 페널티는 약 2dB이고 약 9dB의 ER(예: EML)에 대해 도입된 전력 페널티가 있음을 알 수 있습니다. 약 1dB입니다. 이것은 또한 EML이 일반적으로 DML보다 더 나은 성능을 보이는 이유를 설명합니다. 부분적으로는 EML이 소광비가 더 높기 때문입니다. 직접 변조 모듈의 경우 소광비가 높을수록 더 좋습니까?
먼저 DML의 소광비를 개선하는 방법을 알아보겠습니다. 정의에 따르면 레이저의 광학 출력과 off. 가장 직접적인 방법은 구동 전압의 진폭을 높이고 하이 레벨과 로우 레벨의 차이를 늘리는 것입니다. 그러나 이것은 두 가지 문제를 야기합니다.
한편으로 구동 전압 진폭의 증가는 DML에서 캐리어 밀도의 교번 변화로 쉽게 이어져 활성 영역의 굴절률 변화를 일으키고 레이저의 파장이 드리프트되며 전류는 일반적으로 처프로 알려진 레이저의 파장으로 인해 표류합니다. 최종 결과는 낮은 수준의 광 신호의 파장은 길고 높은 수준의 광 신호의 파장은 짧습니다. 광섬유에서 둘의 전송 속도가 다르기 때문에 신호의 시간 영역의 대역폭 확장이 발생하여 기호 간 간섭(ISI)이 발생합니다. 따라서 높은 ER은 DML에 대한 처프 페널티도 증가시킬 수 있습니다.
반면 레이저를 저출력(P0)에서 고출력(P1)으로 변환하는 데는 시간이 걸리며 이는 캐리어의 이동 시간과 관련이 있습니다. 전력 차이가 커지면 통과 시간이 늘어나 변조 대역폭이 줄어듭니다. 따라서 일반적으로 고속 DML의 ER은 더 작습니다.
실제 응급실은 얼마나 큽니까? DML의 DC 바이어스에 따라 다릅니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 고속 DML에서 전기 광학 지연, 이완 발진 및 패턴 효과를 줄이기 위해 DML의 바이어스 포인트는 일반적으로 임계값 근처에 있습니다. 즉, "0"을 보낼 때 레이저가 즉, P0은 0이 아니므로 분명히 ER이 감소합니다.
그림 2 반도체 레이저의 일반적인 PI 특성 곡선
수신기의 경우 과부하 광 전력 PRth가 있습니다. 즉, 수신된 평균 광 전력이 이 값을 초과하면 수신기가 포화되어 정상적으로 작동할 수 없습니다. 따라서 P1은 정상 동작 시 2PRth-P0을 초과하지 않도록 요구되므로 최대 소광비는 ER max = 2PRth/P0-1이다.
그림 3은 식 (8)에 의해 계산된 전력 페널티와 ER 사이의 관계를 보여준다. ER이 20dB를 초과하면 기본적으로 성능에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 15dB를 초과하면 ER 개선이 성능 개선에 거의 영향을 미치지 않습니다. 따라서 너무 높은 ER은 전력 소비를 증가시킬 수 있습니다.
25G NZR 신호의 경우 상용 DML의 ER은 일반적으로 4~6dB이고 EML의 ER은 8~10dB입니다.
그림 3 유한 소광비로 인한 전력 페널티
4. 광모듈 및 ER 테스트
ER을 테스트하는 방법에 대해 이야기해 봅시다. 사실 ER을 뜯기는 쉽지만 전체 광 모듈은 그림 4와 같이 많은 테스트가 필요합니다.
그림 4 근거리 광 모듈의 주요 테스트 항목의 개략도
송신 측에는 두 가지 주요 테스트가 있습니다. 1은 입력 신호의 품질이 충분한지 확인하기 위한 입력 신호의 전기 아이 다이어그램입니다. 2는 광학 아이 다이어그램, ER 및 OMA와 같은 변조된 광 신호의 품질을 테스트하는 것입니다. 디지털 통신 분석기(DCA)라고도 하는 광학 포트가 있는 아이 다이어그램 장비가 일반적으로 사용됩니다. 광포트가 없으면 대역폭이 큰 광검출기(PD)를 이용해 전기로 변환한 뒤 전기 아이 다이어그램을 본다. 아이 다이어그램 기기는 아이 다이어그램을 측정하고 OMA, ER, Pave 및 기타 매개변수를 표시할 수 있습니다. 직접 읽을 수 있습니다. 그러나 해당 비율의 아이 다이어그램 템플릿을 통해 전송되는 광학 아이 다이어그램의 마진에도 의존합니다. 아래 그림과 같이 마스크의 회색 영역에는 신호 샘플이 떨어지지 않아야 합니다.
그림 5 아이 다이어그램 마스크의 예
수신단에서의 테스트는 송신단에서의 테스트와 다릅니다. 일반적으로 최악의 경우를 평가하기 위해 스트레스 테스트라고도 하는 불량 신호 테스트가 필요합니다. 수신기에서 최종 출력되는 전기 신호도 아이 다이어그램, BER, 지터 및 지터 추적 능력의 허용 오차를 포함하여 테스트해야 합니다.
실제로 광학 모듈을 테스트하는 것은 매우 복잡한 과정입니다. 다른 모델, 다른 속도 및 다른 표준에 대해 테스트 지표 및 방법이 정확히 동일하지 않으며 다른 테스트 표준 및 절차를 따라야 합니다.