Отношения между ER и OMA

В руководствах по высокоскоростным оптическим модулям мы обычно сосредотачиваемся на ER и OMA, связанных с DML или EML. Итак, что они означают? Какая связь между двумя показателями? Каковы их соответствующие значения? Как их протестировать? Давайте поговорим об ER и OMA с этими вопросами.

  1. Определение и расчет

ER, коэффициент ослабления, относится к соотношению мощностей света, когда сигнал посылается на высоком уровне и на низком уровне, а именно:

Формула (1)

Однако в руководстве обычно приводится его логарифмическая форма, то есть ERdB = 10*log10(ER). Если оптическая мощность P1 и P0 передачи «1» и «0» выражена в единицах дБм, логарифмический коэффициент ослабления равен разнице между двумя мощностями, т. е. ERдБ) = P1(дБм) -P0(дБм).

OMA, амплитуда оптической модуляции, относится к разнице оптической мощности между высоким и низким уровнями после модуляции оптического сигнала, а именно:

Формула (2)

Очевидно, что и ER, и OMA представляют собой разницу в оптической мощности между сигналами высокого и низкого уровня, но ER представляет собой относительную разницу, а OMA представляет собой абсолютную разницу.

  1. Значения и преобразование

Так почему же важны ER и OMA?

Чем больше различие оптической мощности между «1» и «0», тем легче различить «1» и «0» на принимающей стороне, и коэффициент ошибок по битам (BER) будет меньше. На самом деле это легко доказать теоретически.

Определение добротности Q представлено в виде следующей формулы:

Формула (3)

Числитель представляет собой разницу между оптическими мощностями высокого и низкого уровней, то есть ОМА, а знаменатель представляет собой сумму стандартных отклонений высокого и низкого уровней, которая фактически представляет размер шума. Для PIN-приемников с ограничением теплового шума высокий и низкий уровни соответствуют одному и тому же шуму. Таким образом, для данного приемника добротность определяется только OMA. Существует функциональная связь между Q и BER, а именно:

Формула (4)

Следовательно, разница оптических мощностей между высоким и низким уровнями напрямую отражает производительность оптического модуля. Итак, есть ли связь между этими двумя показателями измерения разницы оптической силы?

Чтобы определить связь между относительной разницей и абсолютной разницей, необходимо ввести в качестве эталона промежуточную величину. Эта величина является обычно используемой средней оптической силой Pave. Он определяется как:

Формула (5)

Комбинируя формулы (1), (2) и (3), после подстановки переменных мы можем легко получить связь между OMA и ER, используя промежуточную величину Pave.

Формула (6)

Формула (7)

И связь между P1, P0 и ER и Pave.

Формула (8)

Формула (9)

Из (3) ~ (7) мы можем знать, что только две из пяти величин P1, P0, Pave, ER и OMA являются независимыми, и мы можем получить другие значения, если заданы любые два из приведенных выше значений. Исходя из этого, в следующем анализе мы выберем Pave и ER для дальнейшего анализа. Конечно, разница между ER и OMA все же есть. После ослабления оптического сигнала ЭО остается неизменным, а ОМА уменьшается в соответствии с коэффициентом ослабления сигнала, и, наоборот, после оптического усиления.

ER и OMA хорошо видны на глазковой диаграмме. Чем больше ER и OMA, тем лучше открытие на диаграмме.

Пример OMA на глазковой диаграмме

Рис. 1. Пример OMA на глазковой диаграмме

  1. Цена и реальная стоимость ER

Приведенный выше анализ проводится только с точки зрения чувствительности приемника (или BER). Большие ER или OMA хороши для улучшения BER. Далее можно рассчитать, что, когда ER бесконечен, стоимость энергии, связанная с ограниченным ER, составляет:

Формула (10)

Из приведенной выше формулы видно, что для ER около 6 дБ (например, DML) введенный штраф за мощность составляет около 2 дБ, а для ER около 9 дБ (например, EML) введенный штраф за мощность составляет около 1 дБ. Это также объясняет, почему EML обычно работает лучше, чем DML, отчасти потому, что EML имеет более высокий коэффициент исчезновения. Для модулей с прямой модуляцией чем выше коэффициент ослабления, тем лучше?

Давайте сначала посмотрим, как улучшить коэффициент исчезновения DML. По определению, это увеличение относительной разницы между оптическими мощностями лазера на и off. Самый прямой способ - увеличить амплитуду управляющего напряжения и увеличить разницу между высоким уровнем и низким уровнем. Но это приносит две проблемы.

С одной стороны, увеличение амплитуды возбуждающего напряжения легко приведет к знакопеременному изменению концентрации носителей в ДМС, что вызовет изменение показателя преломления активной области, дрейфует длина волны лазера и ток будет дрейфовать из-за длины волны лазера, широко известной как чирп. Конечным результатом является то, что длина волны оптического сигнала низкого уровня длинная, а длина волны оптического сигнала высокого уровня короткая. Скорость передачи по волокну различна, что приводит к расширению полосы пропускания во временной области сигнала, что приводит к межсимвольной интерференции (ISI). Следовательно, высокий ER может также увеличить штраф за чирп для DML.

С другой стороны, преобразование лазера с малой мощности (P0) в выходную мощность высокой мощности (P1) требует времени, которое связано со временем прохождения носителя. Когда разность мощностей становится больше, время прохождения увеличивается, тем самым уменьшая ширину полосы модуляции. Поэтому ER высокоскоростного DML обычно меньше.

Насколько велика ER на самом деле? Это зависит от смещения постоянного тока DML. Как показано на рисунке 2, чтобы уменьшить электрооптическую задержку, релаксационные колебания и эффект шаблона в высокоскоростном DML, точка смещения DML обычно находится вблизи порогового значения, что означает, что при отправке «0» лазер также излучает свет, то есть P0 не равно 0, что, очевидно, снижает ER.

Типичная кривая характеристики PI полупроводникового лазера

Рис. 2 Типичная кривая ПИ-характеристики полупроводникового лазера

Для приемника существует перегрузка по оптической мощности PRth, то есть когда принимаемая средняя оптическая мощность превышает это значение, приемник насыщается и не может нормально работать. Следовательно, требуется, чтобы P1 не превышала 2PRth-P0 при нормальной работе, поэтому максимальный коэффициент ослабления равен ER max = 2PRth/P0-1.

На рис. 3 показана зависимость штрафа по мощности от ER, рассчитанного по формуле (8). Обнаружено, что когда ER превышает 20 дБ, это практически не влияет на производительность. После превышения 15 дБ улучшение ER мало влияет на улучшение производительности. Следовательно, слишком высокое значение ER может увеличить энергопотребление.

Для сигналов 25G NZR ER коммерческого DML обычно составляет 4–6 дБ, а ER EML — 8–10 дБ.

Штраф за мощность из-за конечного коэффициента исчезновения

Рисунок 3. Потеря мощности из-за конечного коэффициента ослабления.

4. Оптический модуль и тест ER
Давайте поговорим о том, как проверить ER. На самом деле, соскать ЭР несложно, но нужно много тестировать весь оптический модуль, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 Принципиальная схема основных тестовых образцов оптического модуля ближнего действия

На передающем конце есть два основных теста: 1 — электрическая глазковая диаграмма входного сигнала, чтобы убедиться, что качество входного сигнала достаточно хорошее. 2 предназначен для проверки качества модулированного оптического сигнала, такого как оптическая глазковая диаграмма, ER и OMA. Обычно используется прибор глазковой диаграммы с оптическим портом, также называемый анализатором цифровой связи (DCA). Если оптического порта нет, используйте фотодетектор с большой пропускной способностью (PD), чтобы преобразовать его в электричество, а затем посмотрите на электрическую глазковую диаграмму. Прибор глазковой диаграммы может измерять глазковую диаграмму и отображать OMA, ER, Pave и другие параметры. Мы можем просто прочитать это напрямую. Однако это также зависит от запаса передаваемой оптической глазковой диаграммы через шаблон глазковой диаграммы соответствующей скорости. Как показано на рисунке ниже, в серую область маски не должны попадать отсчеты сигнала.

Пример маски глазковой диаграммы

Рис. 5 Пример маски глазковой диаграммы

Тест на принимающей стороне отличается от теста на передающей стороне. Как правило, необходимо протестировать плохой сигнал, также называемый стресс-тестом, чтобы оценить наихудший случай. Электрический сигнал, выдаваемый приемником, также должен быть протестирован, включая глазковую диаграмму, BER, джиттер и допустимую способность отслеживания джиттера.

На практике тестирование оптических модулей — очень сложный процесс. Для разных моделей, разных скоростей и разных стандартов индикаторы и методы испытаний не совсем одинаковы, и мы должны следовать разным стандартам и процедурам испытаний.

Оставьте комментарий

Наверх