測試相干光收發機：在DP-QPSK從研發轉向生產和部署時您需要知道什么

對主要電信運營商和服務提供商來說，在遠距離及超遠距離密集波分復用(DWDM)中轉向 100G 相干光技術的時機已經成熟。高帶寬應用如影視點播和基于云的服務迅速增長，把承載容量放到絕對最高的優先地位。就目前來講，解決方案是從現有光纖中擠出更多的頻譜效率。為實現這一目標，運營商們正從傳統的開關鍵控(OOK)轉向相干雙極正交相移鍵控(DP-QPSK)、正交幅度調制(QAM)及許多正交頻分復用(OFDM)變通方案。

隨著相干光波技術從研發轉向制造和生產部署，許多開發實驗室仍在采用內部開發的相干接收機和分析軟件，其通常耦合為自適應均衡器，在所有條件下都使眼圖睜開達到最大。盡管這種方法對接收機開發非常重要，但它經常會漏掉傳輸系統中關鍵的信號失真來源，這些系統響應慢，可能會不能迅速識別故障的根本原因。

因此，擁有經過檢定、經過校準、可重復的分析方法和設備非常關鍵。盡管業界還沒有為當前主導的OIF制訂的DP-QPSK格式確定測試標準，以確保互操作能力，如串行數據通信系統中常用的眼圖模板，但在特定Q因數處進行測試至少可以交叉檢查元器件性能。各種標準和技術在未來幾年中將不斷發展，制訂能夠調整、適應不同相干調制方案的測試戰略至關重要。

在設計和部署相干遠距離光纖傳輸系統時，非常重要的一點是保證相干光收發機實現可預測的誤碼率性能和可重復的Q因數。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，這些技術可望發現和減輕研發、制造或部署過程中物理設計的損傷。

測試挑戰和方法 – 了解出了什么問題

在任何傳輸系統中，當收發機在生產中或在現場失效時確定“出了什么問題”的能力是成功的關鍵。遺憾的是，傳統直接檢測方法不足以測量相位調制信號。例如，以傳統方式使用的光電二極管作為接收機設置檢測OOK或幅度調制，當存在一個相位調制信號，光載波進行相位調制、而不是幅度調制時，會應答全為1。因此，我們不推薦以當前配置使用傳統眼圖分析儀，因為它們不能用來繪制傳統數量指標圖。

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行的局部激光器混頻，來導出相位信息。相干分析儀允許用戶在復合平面中查看光信號，即信號的實數部分和虛數部分。這種幅度和相位組合或矢量描述了相對于局部激光器產生的參考信號的量級(幅度)和角度(相位)。

在從研發轉入生產時，測試系統需要能夠補償損傷。直接檢測方法在硬件中以有限的方式實現這一點，相干方法則可以在硬件中實現這一點，它仿真相位和時鐘恢復、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，洞察導致誤碼率的因素。這時候，還需要開發測試余量和戰略，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環境中，“轉動旋鈕”，追蹤錯誤來源，包括調節發射機調制器偏移、環路追蹤、源功率和行寬、啟動激光器及確定調制器驅動器功率和信號質量。其它潛在的錯誤和故障來源包括接收機功能門限和余量以及光路徑上的接收機混合校準矩陣。一旦進入現場，測試將涉及偏移環路和反饋、源功率測量、調諧和了解熱效應。

相干信號分析儀

在相干檢測技術中，復合(正交)調制和極化分集的優勢是能夠考察光載波的整個電場。除頻譜效率高以外，訪問相干接收機上的這些場量進一步實現了數學濾波，可以全面補償色階和極化模式色散等損傷。然后可以使用Q因數或誤差矢量幅度(EVM)等指標測量信號質量，檢定和調試發射機、收發機、發射機應答器、激光器、調制器和半導體器件。

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、低噪聲實時示波器，數字化四個均衡光接收機輸出，處理結果，恢復相位和時鐘。然后，它把光纖中相干調制信號的x極性和y極性表示為穩定的星座圖。

相干分析儀可以從光纖輸入到電輸出進行全面校準，保證硬件為黃金標準。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及真實表示光纖中的光場，包括校準模擬前端路徑增益、相角以及頻響和偏移或路徑延遲。

圖1是光分析儀的結構。作為數字化器的光前端，相干參考接收機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時示波器中，捕獲差頻波形。

圖1. 相干光信號分析儀結構

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: 模數轉換器

Processor: 處理器

Display: 顯示器

這一系統的核心是數字化器。鑒于光纖提供的數據速率很高，因此非常重要的一點是擁有最高精度和靈敏度及最寬帶寬的數字化器。示波器制造商不斷發展數字化器技術，以滿足市場需求。現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。通道數量非常重要，因為對光纖中的信號進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(或外部計算機)上運行的軟件處理突發模式信道數據，提取與調制方式有關的支流，報告測量結果，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Q圖。這類軟件還提供了許多其它數據展示方式，用戶也可以使用MATLAB創建自己的展示數據。

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