Nos manuais de módulos ópticos de alta velocidade, geralmente focamos em ER e OMA relacionados a DML ou EML. Então, o que eles significam? Qual é a relação entre os dois indicadores? Quais são seus valores apropriados? Como testá-los? Vamos falar sobre ER e OMA com essas perguntas.
- Definição e cálculo
ER, taxa de extinção, refere-se à relação de potências de luz quando o sinal é enviado em nível alto e nível baixo, a saber:
Fórmula (1)
Porém, o que normalmente se vê no manual é a sua forma logarítmica, ou seja, ERdB = 10*log10(ER). Se as potências ópticas P1 e P0 do envio “1” e “0” estiverem ambas em unidades dBm, a taxa de extinção logarítmica é igual à diferença entre as duas potências, ou seja, ERdB) = P1(dBm) -P0(dBm).
OMA, amplitude de modulação óptica, refere-se à diferença de potência óptica entre alto nível e baixo nível após a modulação do sinal óptico, a saber:
Fórmula (2)
Obviamente, ER e OMA representam a diferença de potência óptica entre sinais de alto e baixo nível, mas ER representa uma diferença relativa, enquanto OMA representa uma diferença absoluta.
- Significados e conversão
Então, por que ER e OMA são importantes?
Quanto maior a discriminação de potência óptica entre “1” e “0”, mais fácil será distinguir “1” e “0” na extremidade receptora, e a taxa de erro de bit (BER) será menor. Na verdade, é fácil provar isso em teoria.
A definição do fator de qualidade Q é mostrada como a seguinte fórmula:
Fórmula (3)
O numerador é a diferença entre as potências ópticas dos níveis alto e baixo, ou seja, OMA, e o denominador é a soma dos desvios padrão dos níveis alto e baixo, que na verdade representa o tamanho do ruído. Para receptores PIN limitados por ruído térmico, os níveis alto e baixo correspondem ao mesmo ruído. Assim, para um determinado receptor, o fator Q é determinado apenas pelo OMA. Existe uma relação funcional entre Q e BER, a saber:
Fórmula (4)
Portanto, a diferença de potências ópticas entre os níveis alto e baixo reflete diretamente no desempenho do módulo óptico. Então, existe alguma relação entre esses dois indicadores para medir a diferença de potência óptica?
Para determinar a relação entre diferença relativa e diferença absoluta, é necessário introduzir uma quantidade intermediária como referência. Este valor é o Pave de potência óptica média comumente usado. É definido como:
Fórmula (5)
Combinando as fórmulas (1), (2) e (3), após substituição de variáveis, podemos facilmente obter a relação entre OMA e ER usando a quantidade intermediária Pave.
Fórmula (6)
Fórmula (7)
E a relação entre P1, P0 e ER e Pave.
Fórmula (8)
Fórmula (9)
De (3) ~ (7), podemos saber que apenas duas das cinco quantidades P1, P0, Pave, ER e OMA são independentes e podemos obter os outros valores se quaisquer dois dos valores acima forem fornecidos. Com base nisso, na análise a seguir, escolheremos Pave e ER para análise posterior. Claro, ainda há uma diferença entre ER e OMA. Depois que o sinal óptico é atenuado, o ER permanece inalterado, mas o OMA diminui de acordo com o coeficiente de atenuação do sinal e vice-versa após a amplificação óptica.
ER e OMA podem ser claramente mostrados no diagrama do olho. Quanto maior o ER e OMA, melhor a abertura no diagrama.
Figura 1 Exemplo de um OMA em um diagrama de olho
- O preço e o valor real de ER
A análise acima é apenas da perspectiva da sensibilidade do receptor (ou BER). ER ou OMA maiores são bons para melhorar o BER. Pode-se calcular ainda que, quando ER é infinito, o custo de energia introduzido pelo ER limitado é:
Fórmula (10)
A partir da fórmula acima, pode-se ver que para um ER de cerca de 6 dB (como DML), a penalidade de potência introduzida é de cerca de 2 dB, e para um ER de cerca de 9 dB (como EML), a penalidade de potência introduzida é de cerca de 1 dB. Isso também explica por que o EML geralmente tem um desempenho melhor do que o DML, em parte porque o EML tem uma taxa de extinção mais alta. Para módulos modulados diretamente, quanto maior a taxa de extinção, melhor?
Vamos ver como melhorar a taxa de extinção de DML primeiro. Por definição, é aumentar a diferença relativa entre as potências ópticas do laser ligado e off. A maneira mais direta é aumentar a amplitude da tensão de condução e aumentar a diferença entre o nível alto e o nível baixo. Mas isso traz dois problemas.
Por um lado, o aumento da amplitude da tensão de condução levará facilmente à alteração alternada da densidade de portadores no DML, o que causará a alteração do índice de refração da área ativa, o comprimento de onda do laser se desviará e o a corrente irá derivar devido ao comprimento de onda do laser, comumente conhecido como chirp. O resultado final é que o comprimento de onda do sinal óptico de baixo nível é longo e o comprimento de onda do sinal óptico de alto nível é curto. A velocidade de transmissão dos dois na fibra é diferente, causando assim a expansão da largura de banda do domínio do tempo do sinal, levando a interferência inter-simbólica (ISI). Portanto, um ER alto também pode aumentar a penalidade de chirp para DML.
Por outro lado, a conversão do laser de baixa potência (P0) para alta potência (P1) leva tempo, que está relacionado ao tempo de trânsito do portador. Quando a diferença de potência aumenta, o tempo de trânsito aumenta, reduzindo assim a largura de banda da modulação. Portanto, o ER de DML de alta velocidade é geralmente menor.
Quão grande é o ER na realidade? Depende do viés DC do DML. Conforme mostrado na Figura 2, para reduzir o atraso eletro-óptico, a oscilação de relaxamento e o efeito padrão no DML de alta velocidade, o ponto de polarização do DML geralmente fica próximo ao valor limite, o que significa que, ao enviar “0”, o laser também está emitindo luz, ou seja, P0 não é 0, o que obviamente reduz ER.
Figura 2 Curva característica PI típica de um laser semicondutor
Para o receptor, existe uma sobrecarga de potência óptica PRth, ou seja, quando a potência óptica média recebida ultrapassa esse valor, o receptor fica saturado e não consegue funcionar normalmente. Portanto, é necessário que P1 não exceda 2PRth-P0 durante a operação normal, portanto, a taxa de extinção máxima é ER max = 2PRth/P0-1.
A Figura 3 mostra a relação entre a penalidade de potência e a ER calculada pela fórmula (8). Verificou-se que quando o ER excede 20 dB, basicamente não há impacto no desempenho. Depois de exceder 15 dB, a melhoria de ER tem pouco efeito na melhoria do desempenho. Portanto, ER muito alto pode aumentar o consumo de energia.
Para sinais 25G NZR, o ER do DML comercial é geralmente de 4 a 6 dB, enquanto o ER do EML é de 8 a 10 dB.
Figura 3 Penalidade de potência devido à taxa de extinção finita
4. Módulo óptico e teste ER
Vamos falar sobre como testar ER. Na verdade, é fácil testar o ER, mas todo o módulo óptico precisa ser muito testado, conforme mostrado na Figura 4.
Figura 4 Diagrama esquemático dos principais itens de teste do módulo óptico de curto alcance
No final do envio, existem dois testes principais, 1 é o diagrama de olho elétrico do sinal de entrada para garantir que a qualidade do sinal de entrada seja boa o suficiente. 2 é para testar a qualidade do sinal óptico modulado, como diagrama de olho óptico, ER e OMA. Um instrumento de diagrama de olho com uma porta óptica é geralmente usado, também chamado de analisador de comunicação digital (DCA). Se não houver porta óptica, use um fotodetector (PD) de grande largura de banda para convertê-la em eletricidade e, em seguida, observe o diagrama do olho elétrico. O instrumento de diagrama de olho pode medir o diagrama de olho e exibir OMA, ER, Pave e outros parâmetros. Podemos apenas lê-lo diretamente. No entanto, também depende da margem do diagrama de olho óptico transmitido através do modelo de diagrama de olho da taxa correspondente. Conforme mostrado na figura abaixo, a área cinza da máscara não deve ter amostras de sinal caindo nela.
Figura 5 Exemplo de máscara de diagrama de olho
O teste na extremidade receptora é diferente daquele na extremidade transmissora. Geralmente, é necessário testar um sinal ruim, também chamado de teste de estresse, para avaliar o pior caso. O sinal elétrico finalmente emitido pelo receptor também deve ser testado, incluindo diagrama de olho, BER, jitter e tolerância da capacidade de rastreamento de jitter.
Na prática, testar módulos ópticos é um processo muito complicado. Para modelos diferentes, taxas diferentes e padrões diferentes, os indicadores e métodos de teste não são exatamente os mesmos e devemos seguir diferentes padrões e procedimentos de teste.