消光比是什么意思? 为什么要测量消光比？如何实现准确的消光比测量？

目录

消光比是什么意思? 为什么要测量消光比？

消光比测量基础

消光比公式

基于标准的测量

为什么系统误差会降低消光比测量精度？

如何实现准确的消光比测量？

如何获得一个更加稳定的系统消光比值？

发射机消光比如何影响系统性能？

PAM4消光比测试

消光比是表征光发射器性能的重要测量指标。随着设计/测试裕度越来越小，进行准确且可重复的消光比测量的挑战也变得越来越明显。此外，使用不同参考接收器进行的消光比测量的可变性已成为业界关注的问题。消光比测量技术的最新发展可以提高设计裕度和制造产量。

消光比是什么意思? 为什么要测量消光比？

消光比 (Extinction Ratio) 被定义为逻辑 1 电平幅度 (V top) 与逻辑 0 电平幅度 (V base) 之比。它表示激光功率转换为信号功率的效率。对于图形描述，通常使用眼图，如图 1 所示。

简单来说，消光比是指把电信号调制到光信号上之后，激光器输出高电平和低 电平时光功率的对数比值，反映了激光器是否工作在最佳偏置点以及最佳调制效率区间。

图 1. 消光比的定义

What is Extinction Ratio?
It is defined as the ratio of the logic one level amplitude (V top) to the logic zero level amplitude (V base). It is an indication of how efficiently the laser power is converted to signal power.

消光比也是眼图质量的一个关键指标，它提供了眼图中 1 级和 0 级之间的关系。

消光比通常在眼图窗口上zhiding，介于眼图的 40% 和 60% 间隔之间，如图 2 所示。过冲或不正确的上升时间会影响消光比的测量值，因此需要一种通用的眼图测量方法，该方法是通过包含合规滤波器的参考接收器来实现的。

图 2. 显示眼图窗口和消光比直方图的典型眼图

眼图还可减少提供眼图测量结果所需的样本数量，从而提供非常快速的测量更新，这对于快速确定消光比和平均功率等关键参数尤为重要。

图 3. 启用眼图调节后的典型眼图显示以及要优化的消光比测量结果。

消光比测量基础

消光比是一种测量方法，表示可用激光功率转换为调制功率的程度。

从数学上讲，它是逻辑“1”电平与逻辑“0”电平的比率。如果相对于“1”电平功率，传输“0”电平的功率非常小，则消光比将很高，这表明激光功率被有效地用作调制功率。对于 PAM4（脉冲幅度调制 4 电平）信号，定义类似，但比率由“3”和“0”电平组成。消光比是直接检测通信系统中使用的每个发射器的主要规格。长跨度系统更重视消光比，并且历史要求较高的值。短跨度系统对消光比的要求不那么严格。

虽然消光比的概念很简单，但消光比的准确测量容易受到各种错误机制的影响。最小化这些机制的影响是 Keysight 数十年来持续进行的工作。 消光比校准方法最近有所改进，随着光通信技术达到 25 和 50 Gbaud 传输速率，这一点尤为重要。推薦閲讀：

本文讨论了测量挑战以及测量不确定性和变异性的原因。此外，它还描述了减少由标准参考接收器性能不理想引起的不确定性的方法。其中包括在测试系统中实现更好的测量一致性的技术。

消光比公式

消光比可以通过眼图确定，定义为线性比率，以分贝为单位，或以百分比表示：

基于标准的测量

虽然消光比测量概念很基础，只需要确定信号逻辑电平，但通过明确定义的测量方法可以实现一致的结果。IEC 61280-2-2 光纤通信子系统测试程序 - 第 2-2 部分：数字系统 - 光眼图、波形和消光比测量提供了一种在 NRZ（不归零）眼图上测量消光比的特定方法。

该程序调用以下内容：

• 使用光学示波器（数字通信分析仪或 DCA）采集波形，数据速率带宽为 75%（例如，19.34 GHz 可观察 25.78 Gb/s 信号）。频率响应应遵循四阶贝塞尔形状。这会产生表现良好的时域响应

• 在发射器眼图上构建直方图以确定逻辑“1”和逻辑“0”的平均值。直方图位于单位间隔（位周期）的中央 20% 上PAM4 消光比分析没有标准测试程序。

但是，IEEE 802.3bs 提供了一种贯穿 802.3 标准的方法：

• 消光比基于逻辑电平“3”和“0”幅度的比率

• 幅度值不是从 PAM4 眼图得出的，而是从连续七个“3”和连续六个“0”的中央两个单位间隔得出的。该参数称为外部消光比。

• DCA频率响应未zhidin，并且被认为不如 NRZ测量重要，因为由于符号的连续运行时间较长，信号电平不会受到频率响应的显著影响

为什么系统误差会降低消光比测量精度？

虽然消光比测量概念很基础，只需要确定信号逻辑电平，但有多种机制会降低测量精度。这些机制主要存在于 DCA的信号路径中：

• DCA光电探测器系统中的暗电流

• 相对于中频和高频，低频的增益过大

• 非理想频率响应会产生符号间干扰和眼图闭合。通常，DCA通道噪声不是一种重要的误差机制，因为幅度分析基于直方图均值，不会因增加噪声而改变。

如何实现准确的消光比测量？

当测量误差具有系统性和可重复性时，可以通过仪器校准过程将其从测量中消除。成功校准的关键是准确量化误差，并采用有效的方法将其从最终消光比结果中消除。

最容易量化的误差是暗电流偏移。当输入端没有信号时，DCA通道（包括光电探测器）可以产生小信号。这种杂散信号可以有效地抵消被测信号，从而导致消光比测量误差。DCA校准菜单有一个暗校准程序，用户可以执行。当 DCA通道输入端没有信号时，可以测量“暗”信号并记录其值。DCA将显示消除任何暗电平偏移的波形。

DCA通道（尤其是光电探测器后包括放大的通道）的直流和极低频增益与通道带宽内的中频和高频增益略有不同，这是很常见的。如果 DC 增益相对较高，则显示波形的平均值将比波形的 AC（或光调制幅度或 OMA）具有更高的增益。在消光比的背景下，结果是消光比值明显降低。

图 3. 直流偏差对消光比的影响

量化此影响的方法是向 DCA通道呈现jigao的消光比信号（大约 30 dB）。参考信号的调制速率较低，因此可将另一个校准步骤中处理的高频误差机制降至zuidi。此过程对于测量非常高的消光比信号（大于 10 dB）最为重要。如果相对 DC 增益仅为 0.3 dB（1.07 线性），则 10 dB 消光比信号将被视为 8.7 dB 消光比的信号。在jiduan情况下，将观察到 14.6 dB 的消光比无限大的信号。如果不进行校正，0.3 dB 偏移会导致 14.6 dB 的测量限值。也就是说，可以报告的最高消光比为 14.6 dB。当 DCA 通道具有这样的偏移时，在应用 30 dB 消光比参考信号时会直接显示出来。一旦知道，它就会自动从信号中删除，并且显示的波形将不带偏移。请注意，当消光比处于 4 到 5 dB 范围内时（数据中心应用中使用的发射器通常如此），直流偏移误差的影响非常小。

DCA 通道的宽带宽频率响应中的缺陷也会影响观察到的消光比。考虑符号间干扰如何导致眼图闭合。有效减少“1”级别并增加“0”级别会导致观察到的消光比明显减少（如图 4 所示）。

图4. 频率响应对消光比的影响

这种误差机制的量化很复杂，因为它不仅取决于 DCA 通道，还取决于被测信号。必须为每个 DCA 参考接收器滤波器设置和相关数据速率确定一个weiyi的误差。评估频率响应的影响需要具有已知消光比信号以适当的参考接收器数据速率运行。这可以通过创建具有理想 Bessel-Thomson 频率响应的 DCA 通道来实现。这样，就可以确定参考信号的消光比，而不会受到任何频率响应引起的误差的影响。此方法用于在任何数据速率下生成已知消光比参考信号。然后使用这些信号来确定通道的高频误差机制。与上面讨论的校正 DC 偏移不同，此校准过程还将补偿显示正确 OMA 幅度的误差。它不仅可以获得更好的消光比精度，还可以改善眼图幅度的绝对测量，包括 OMA。更新后的校准过程还将在多通道 DCA（例如四通道 N1092D）中产生更好的一致性。在每个 DCA 通道上呈现的同一信号上测量的消光比之间应该差别很小。

如何获得一个更加稳定的系统消光比值？

系统消光比测试的精确度是由以下的条件所影响：

• 插入的垂直校准

• 暗校准

• 光电转换器的频率响应

• 固化软件算法

用于高速数字通信的光纤发射机，需要具备一些特定的参数条件。其中的一个参数，消光比被用来描述zuiyou的偏置条件和激光发射功率转化成调制功率的效率。虽然行业内已经给出了一些特定的参数标准，并且给了一个规范的测量途径，但近年来实现准确和可重复的系统消光比测试仍然很困难。

高速数字通信系统中使用的光发射机通常需要保持一组特定的性能水平。消光比这一参数用于描述最佳偏置条件以及可用激光发射机功率如何高效地转换为调制功率。尽管行业标准和测试方法对规格进行了定义，但从历史看，实现准确且可重复的消光比测量一直很困难。

发射机消光比如何影响系统性能？

最能描述通信系统整体健康状况的参数是误码率 (BER)。几乎任何设计良好的数字通信系统都能够实现几乎无差错的通信，只要发射机功率保持足够高，系统损耗（即光纤衰减）保持足够低。为了最大限度地减少对昂贵的放大器或再生器的需求，最好在发射机和接收机之间拥有尽可能长的跨度。

传输跨度过长最终会降低系统 BER，因为信号电平会下降，噪声会成为接收器信号的主要成分。但是，发射机消光比也会影响传输系统的允许长度。

图5 展示了一个zuijiandan的消光比图和功率预算的反比关系曲线。

图 5 显示了 BER 功率损失与消光比的关系。例如，如果消光比为 8.2 dB，则需要传输大约 1 dB 的额外功率才能实现与消光比为 13 dB 时相同的 BER。换句话说，平均功率为 0 dBm 且消光比为 13 dB 的信号应实现与平均功率为 1 dBm 且消光比为 8.2 dB 的信号相同的 BER。同样，与消光比为 8.2 dB 相比，如果消光比降低到 5 dB，则需要额外的 1.5 dB 功率来维持 BER 水平。

了解并zuida程度地提高消光比测量的准确性和可重复性

有多种因素可能会降低消光比测量的准确性。这些因素可分为以下几类：

• 仪器产生的偏移/杂散信号

• 仪器引起的波形失真

• 仪器测量波形幅度的精度

为了最大限度地减少测量质量下降，应实施以下策略：

• 使用基于直方图的测量算法，即使存在产生误差的情况，该算法也具有鲁棒性

• 了解波形失真的原因并使用可产生高波形保真度的仪器

• 了解并尽可能保持在仪器的测量限制范围内

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本文讨论了测量挑战以及测量不确定性和可变性的原因。此外，它还描述了减少由标准参考接收器性能不理想引起的不确定性的方法。其中包括在测试系统中实现更好的测量一致性的技术。

PAM4消光比测试

消光比是光发射机特性评估非常重要的一个指标，同时也是最困难的测试指标之一。对于 PAM4信号来说，一方面对于线性度要求更高，另一方面，很多标准对该指标要求越来越严格， 消光比测试余量也越来越有限，因此，如何进行准确/可重复的消光比测试，日益成为一个挑战。

与 NRZ 信号相比，PAM4信号的消光比测量构造有很大不同。PAM4外部消光比测量受益于用户执行的暗校准。

由于 DC偏移和 AC频率响应导致的测量误差仍然可能发生，但由于信号在经过大量时间稳定到稳定值后才被观察到，因此影响较小。

PAM4消光比测量精度仍然通过消光比校准得到增强。由于最新的校准方法直接影响并提高显示波形的精度，因此 消光比以及许多其他测量都受益于新的校准方法。几乎所有 PAM4 合规性测量都是使用允许模式锁定的测试模式执行的。这反过来又允许使用 SIRC（系统脉冲响应校正），从而最大限度地减少 DCA 通道频率响应的影响。

与 NRZ 相比，PAM4消光比测量的一个重要区别是如何设置和显示测量。对于 NRZ信号，消光比是在聚合眼图上测量的。通过注释，可以轻松了解测量是如何构建的，包括测量眼睛的哪个区域以及生成了哪些值来计算消光比结果。

图 6. NRZ消光比测量的构建和注释

PAM4消光比测量由测试模式的不同且独立的部分构成，而不是眼图。即使显示 PAM4 眼图，DCA 也会根据所需的特定符号构建测量。这通常是来自七个连续 3 和六个连续 0 的中间 2 个符号。如果没有这些特定符号，DCA 将找到可用的最长序列，并用“？”注释结果。显示 PAM4 消光比测量的构造是不切实际的。启用测量注释后，将显示从相应符号得出的“3”和“0”幅度级别，位于 PAM4 眼图的中心。这不应被解释为从聚合眼图得出的信号级别。

图 7. PRBS13Q 测试模式的功率级别 P0 和 P3 示例（参考 IEEE 802.3 第 121 条）