高速光通讯信号的消光比测试

前几天收到一个客户的邮件，语气中带有几分抱怨，客户是某公司10G光模块的研发部门，内容大概说他们在其生产中心已经经过测试合格的模块拿到另一个城市的研发测试中心，却发现测试的结果是不合格的，两者主要是光信号的消光比相差有2-3dB.测试使用的仪器均是泰克的DSA8200 + 80C11的模块。如此大的测试差异显然是他们无法接受的，所以他们希望我能够到他们的生产中心进行一个验证，找出原因所在。
于是我跟客户约好时间后带了自己的一个80C11-CR4模块，直奔他们的生产中心去了，光模块生产中心的防尘措施果然做的好，全身换了一套崭新的防尘套装，然后穿过一个除尘室，来自四面八方的狂风往你身上狂吹了一通之后终于进入了生产测试车间。我曾经去过几个不同的光模块生产中心以及硬盘生产中心，好像防尘措施都做的不错。
生产车间里一字排开放置了十几台泰克的DSA8200/CSA8200的采样示波器，我选取了其中的五台采样示波器，分别进行了温度补偿校准，暗电平校准，然后在不同的输入光功率下分别进行了对比测试，测试的光模块速率为10.371bps,码型为NRZ编码。结果如下，显然与他们邮件中的描述有比较大的差异，在同样的时钟恢复选项中，测试的消光比的最大差异为13.29-12.77=0.52dB,平均值为12.995dB,偏差为+0.295dB/-0.225dB,其中我带过去的带CR4选项的模块的消光比略差，为12.36dB,相差值为最大的0.93dB.后来我仔细查了一下我们的产品手册，CR3的时钟恢复的支持速率比较少，而CR4的时钟恢复的支持速率比较多，所以导致整个的模块的硬件设计比较复杂，所以相应的信噪比会略有下降，消光比略低也在情理之中。
Mainframe(SN) Module(SN) 消光比(dB) 输入光功率

表1
我将数据记录下来，回到深圳后，将测试的数据和80C11-CR4的模块发到了客户的研发测试中心，给他们进行一个对比测试，当然也告诉他们注意一些可能会提高到消光比测试精度的措施，包括模块光输入接口的灰尘污染，暗电平校准，模块和主机的温度补偿等等。几天后，我收到了他们的邮件，对比的结果是他们在研发测试中心用他们自己的80C11以及我寄给他们的80C11进行比对，测试了五个不同的光模块，选用NRZ码型的时候结果相差约为0.2dB.但测试RZ码型的时候，相差比较大，约为1dB.但他们告诉我，他们在测试RZ码型的时候，选用的是30GHz的带宽（因为30GHz 的带宽下是纯粹的硬件带宽，不同模块的频响曲线会有较大的差异，我们产品线建议测试RZ码型的时候最好选用20GHz的带宽，此时的频响曲线经过数字处理，一致性会比较好）。
从整个比对的过程看，泰克的相同的模块测试消光比的一致性还是比较好的，甚至比我想像的结果还要略好，因为消光比的测试对于测试仪器厂家来说，本来就是一个挑战，仪器厂家甚至在手册中并没有给出消光比这一参数的测试精度，因为太多的因素会影响到消光比的测试结果。
下面我们来看看消光比这一参数的定义和影响结果的一些因素，如何来提高消光比的测试精度。
一：消光比的定义：
ER (Extinction Ratio) 为光模块发射逻辑“1” 时的平均光功率和发送逻辑“0”时的平均光功率之比.一般用对数表示，ER

对于一个线性衰减的系统，消光比应该是一个常数，消光比越高，传输系统对外部噪声的抗敏感度越高,鲁棒性越好
– 在光眼图的中心的20%的位置测量直方图的平均值

图1
下面是其中一个9.953Gbps光眼图和消光比测试的实例图片：

图2
二：消光比应该在什么范围内才是合理的呢?
一般来说，信号速率越高，信号的消光比就会越低，因为信号速率高了以后，信噪比更加难控制，同时由于光信号的衰减以及传输中的损耗的差异也会导致消光比变低，所以2.5Gbps的光信号可以做到17-18dB，但10Gbps的光信号能做到13-14dB已经很不错了。但消光比并不是要求无限大，越高越好的。ER 可以说明有多少光被浪费 (相对暗电平的偏置的光功率没有承载任何信息)，在ER小于5dB后光功率损耗急剧加大，也就是说额外还需要光功率，但如果ER大于15以后，则消光比对性能影响就非常小了。所以如果你将产品的消光比定义要求为大于20dB，其实是没有太大意义的，只会无辜增加调试难度和产品成本而并没有提高多少产品的性能。这从下面这个图表可以看出：

图3
三，哪些因素会影响到消光比的测试呢?
1.仪器和光模块的本底噪声。因为本底噪声会影响到P1/P0的准确计算。所以主机和模块的温度补偿校准是必须的，有时候光模块使用时间长了以后，会有一些灰尘，所以输入光纤和被测光纤都可以使用无尘试纸擦拭，可以提高消光比的测试精度。
2.直流电平的校准，或者我们称为暗电平（Dark level）校准，ER:

,
因为P0是作为分母的，所以如果P0有任何的细微偏移，都会造成测试结果有较大的差异，因此模块的暗电平校准是必不可少的。
3.光模块的频率响应曲线，在光信号测试中，按照规范要求不同速率的光信号需要使用不同带宽的4阶贝瑟尔－汤姆逊滤波器（Bassel-Thompson），我们通常称其为光参考接收机，因为光信号的接收端都会使用这一光参考接收机，所以仪器也必须使用同一标准的参考接收机来保证仪器所“看到”的信号跟真正的光接收端“看到”的信号是一致的。但是滤波器的频响曲线在规范中是有一定容限的，即便仪器厂家号称自己的光模块是符合规范的，也有可能其不同模块的频响曲线有一定的差异，所以频响曲线的一致性是比较难保证的。
传统上，一个模块中要支持不同的速率，必须将不同的滤波器进行级联，并且切换不同的级联方式来实现不同的带宽，由于多极级联的硬件很难保证不同的模块的响应曲线的一致性，下图是泰克的测试40Gbps的光模块80C10B的频响曲线可以实现下面的频响曲线效果，可以看到14个不同的光模块的频响曲线非常的一致，整个曲线在很小的一个范围内变化。这是因为泰克采用了一个专利的滤波器实现技术。通过精确调节采样头的脉宽来实现带宽和频响曲线。由于采样脉宽是精确可调，所以能够严格控制其频率响应曲线。

图4
传统的光测试模块滤波器的实现方法

图5
泰克的最新80C10B光模块的实现方法。

图6
4：光模块的瞬态响应特性也会影响到测试精度和一致性：
下面是泰克比较旧的光模块的响应特性，可以看到，不同的模块的响应特性的差异会影响到1电平和0电平的计算结果，从而影响到测试差异。

图7
四：如果我想得到很精确的消光比测试结果如何实现呢?
泰克可以提供一个ER calibration选项，这时在示波器的测试项目中会多加一个选项，如下图，Extinction Ratio(dB)-Calibrated.提供经过ER校准后的测量结果。那这个ER校准的结果是如何得到的呢?在泰克美国总部有美国国家标准实验室提供的标准光源，它可以输出不同的已知的消光比的光信号，然后由DSA8200+相应的光模块进行测试，然后将不同消光比下测出的偏差填进光模块中进行相应的补偿，就可以得到和标准光源所对应的准确的消光比的测量值了。

图8
经过校准后的消光比测试可以提供非常好的可重复性和测试精度：

图9

图10