測試相干光收發(fā)機(jī):需要知道什么?

測試相干光收發(fā)機(jī)：在DP-QPSK從研發(fā)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)和部署時您需要知道什么

對主要電信運(yùn)營商和服務(wù)提供商來說，在遠(yuǎn)距離及超遠(yuǎn)距離密集波分復(fù)用(DWDM)中轉(zhuǎn)向 100G 相干光技術(shù)的時機(jī)已經(jīng)成熟。高帶寬應(yīng)用如影視點(diǎn)播和基于云的服務(wù)迅速增長，把承載容量放到絕對最高的優(yōu)先地位。就目前來講，解決方案是從現(xiàn)有光纖中擠出更多的頻譜效率。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，運(yùn)營商們正從傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控(OOK)轉(zhuǎn)向相干雙極正交相移鍵控(DP-QPSK)、正交幅度調(diào)制(QAM)及許多正交頻分復(fù)用(OFDM)變通方案。

隨著相干光波技術(shù)從研發(fā)轉(zhuǎn)向制造和生產(chǎn)部署，許多開發(fā)實(shí)驗(yàn)室仍在采用內(nèi)部開發(fā)的相干接收機(jī)和分析軟件，其通常耦合為自適應(yīng)均衡器，在所有條件下都使眼圖睜開達(dá)到最大。盡管這種方法對接收機(jī)開發(fā)非常重要，但它經(jīng)常會漏掉傳輸系統(tǒng)中關(guān)鍵的信號失真來源，這些系統(tǒng)響應(yīng)慢，可能會不能迅速識別故障的根本原因。

因此，擁有經(jīng)過檢定、經(jīng)過校準(zhǔn)、可重復(fù)的分析方法和設(shè)備非常關(guān)鍵。盡管業(yè)界還沒有為當(dāng)前主導(dǎo)的OIF制訂的DP-QPSK格式確定測試標(biāo)準(zhǔn)，以確?；ゲ僮髂芰Γ绱袛?shù)據(jù)通信系統(tǒng)中常用的眼圖模板，但在特定Q因數(shù)處進(jìn)行測試至少可以交叉檢查元器件性能。各種標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)在未來幾年中將不斷發(fā)展，制訂能夠調(diào)整、適應(yīng)不同相干調(diào)制方案的測試戰(zhàn)略至關(guān)重要。

在設(shè)計(jì)和部署相干遠(yuǎn)距離光纖傳輸系統(tǒng)時，非常重要的一點(diǎn)是保證相干光收發(fā)機(jī)實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的誤碼率性能和可重復(fù)的Q因數(shù)。在本文中，我們考察了多種測試工具，特別是相干光波信號分析儀技術(shù)，這些技術(shù)可望發(fā)現(xiàn)和減輕研發(fā)、制造或部署過程中物理設(shè)計(jì)的損傷。

測試挑戰(zhàn)和方法 – 了解出了什么問題

在任何傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)收發(fā)機(jī)在生產(chǎn)中或在現(xiàn)場失效時確定“出了什么問題”的能力是成功的關(guān)鍵。遺憾的是，傳統(tǒng)直接檢測方法不足以測量相位調(diào)制信號。例如，以傳統(tǒng)方式使用的光電二極管作為接收機(jī)設(shè)置檢測OOK或幅度調(diào)制，當(dāng)存在一個相位調(diào)制信號，光載波進(jìn)行相位調(diào)制、而不是幅度調(diào)制時，會應(yīng)答全為1。因此，我們不推薦以當(dāng)前配置使用傳統(tǒng)眼圖分析儀，因?yàn)樗鼈儾荒苡脕砝L制傳統(tǒng)數(shù)量指標(biāo)圖。

這要求使用相干光波信號分析儀，通過把輸入的場或被測信號與固定波長運(yùn)行的局部激光器混頻，來導(dǎo)出相位信息。相干分析儀允許用戶在復(fù)合平面中查看光信號，即信號的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分。這種幅度和相位組合或矢量描述了相對于局部激光器產(chǎn)生的參考信號的量級(幅度)和角度(相位)。

在從研發(fā)轉(zhuǎn)入生產(chǎn)時，測試系統(tǒng)需要能夠補(bǔ)償損傷。直接檢測方法在硬件中以有限的方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，相干方法則可以在硬件中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它仿真相位和時鐘恢復(fù)、極化解析和均衡使用的固件。這還可望建立傳輸信道模型，解決損傷，洞察導(dǎo)致誤碼率的因素。這時候，還需要開發(fā)測試余量和戰(zhàn)略，以便能夠迅速識別和解決問題。

相干測試儀器也可以用在生產(chǎn)環(huán)境中，“轉(zhuǎn)動旋鈕”，追蹤錯誤來源，包括調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)調(diào)制器偏移、環(huán)路追蹤、源功率和行寬、啟動激光器及確定調(diào)制器驅(qū)動器功率和信號質(zhì)量。其它潛在的錯誤和故障來源包括接收機(jī)功能門限和余量以及光路徑上的接收機(jī)混合校準(zhǔn)矩陣。一旦進(jìn)入現(xiàn)場，測試將涉及偏移環(huán)路和反饋、源功率測量、調(diào)諧和了解熱效應(yīng)。

相干信號分析儀

在相干檢測技術(shù)中，復(fù)合(正交)調(diào)制和極化分集的優(yōu)勢是能夠考察光載波的整個電場。除頻譜效率高以外，訪問相干接收機(jī)上的這些場量進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)濾波，可以全面補(bǔ)償色階和極化模式色散等損傷。然后可以使用Q因數(shù)或誤差矢量幅度(EVM)等指標(biāo)測量信號質(zhì)量，檢定和調(diào)試發(fā)射機(jī)、收發(fā)機(jī)、發(fā)射機(jī)應(yīng)答器、激光器、調(diào)制器和半導(dǎo)體器件。

相干或星座圖分析儀包括一個極化分集光前端及一臺緊密集成的超寬帶、低噪聲實(shí)時示波器，數(shù)字化四個均衡光接收機(jī)輸出，處理結(jié)果，恢復(fù)相位和時鐘。然后，它把光纖中相干調(diào)制信號的x極性和y極性表示為穩(wěn)定的星座圖。

相干分析儀可以從光纖輸入到電輸出進(jìn)行全面校準(zhǔn)，保證硬件為黃金標(biāo)準(zhǔn)。換句話說，通過使用擁有最寬帶寬、最高采樣率和最高靈敏度的示波器，相干光分析儀可以全面校準(zhǔn)及真實(shí)表示光纖中的光場，包括校準(zhǔn)模擬前端路徑增益、相角以及頻響和偏移或路徑延遲。

圖1是光分析儀的結(jié)構(gòu)。作為數(shù)字化器的光前端，相干參考接收機(jī)把兩條單模光纖作為輸入，一條光纖承載信號，另一條作為相位參考或本振(LO)。在接收機(jī)中，相位參考均勻地劃分到X極性和Y極性中，并與兩個分支中的信號混合，即I和Q。四條通道由均衡光電檢測器傳感，作為電輸出提供，然后饋送到擁有足夠帶寬的實(shí)時示波器中，捕獲差頻波形。

圖1. 相干光信號分析儀結(jié)構(gòu)

Optical signal: 光信號

LO: 本振

Phase/polarization diversity hybrid (all passive): 相位/極化分集混合(全部無源)

Photo-detectors: 光電檢測器

A/D converters: 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Processor: 處理器

Display: 顯示器

這一系統(tǒng)的核心是數(shù)字化器。鑒于光纖提供的數(shù)據(jù)速率很高，因此非常重要的一點(diǎn)是擁有最高精度和靈敏度及最寬帶寬的數(shù)字化器。示波器制造商不斷發(fā)展數(shù)字化器技術(shù)，以滿足市場需求?，F(xiàn)在的最新型號在四條通道中提供了超過20 GHz的帶寬及50 GS/s的采樣率。為提高性能，可以把多臺示波器組合起來，在四條通道中提供超過30 GHz的帶寬和100 GS/s的采樣率。通道數(shù)量非常重要，因?yàn)閷饫w中的信號進(jìn)行全場檢定要求四條通道：X極性和Y極性都要求同相通道和正交通道。

然后使用示波器(或外部計(jì)算機(jī))上運(yùn)行的軟件處理突發(fā)模式信道數(shù)據(jù)，提取與調(diào)制方式有關(guān)的支流，報告測量結(jié)果，以各種格式顯示提取的信號。如圖2所示，這可以包括每個極化的星座圖和每個支流的眼圖及相關(guān)Q圖。這類軟件還提供了許多其它數(shù)據(jù)展示方式，用戶也可以使用MATLAB創(chuàng)建自己的展示數(shù)據(jù)。

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