眼图在通信系统中有什么意义_回顾 | 消光比很重要，但为什么不是越大越好？...

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于 2020-12-04 08:36:43 发布

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文章标签：眼图在通信系统中有什么意义

消光比是衡量光发射眼图效率的重要指标，直接影响通信系统的误码率。虽然大的消光比能提高信噪比，但并非越大越好。过大的消光比可能导致啁啾效应、电光延迟与张弛振荡等问题，增加误码率。合适的消光比需满足协议要求并考虑实际通信预算，通常在一定范围内波动。

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消光比的定义

消光比(Extinction Ritio)，简称ER，为光发射眼图一个重要的指标。

定义：最坏的反射条件下，全调制的条件下传“1”信号平均光功率和“0”信号平均光功率的比值。

是用来描述光偏置状态和可用的激光器发送功率如何有效地转换为调制功率的物理量，因此消光比可以看做是对激光器运行效率的衡量。通常在眼图上测量到“1”和“0”的电平功率换算出消光比，消光比的表示方式可以有线性率(LinearRatio)、分贝dB、百分比％三种，如下公式表示。即：

PON 系统通常采用LD 作为光源。NRZ 码眼图中，LD 发光代表电平“1”，LD 不发光(实际是发微弱光)代表电平“0”，P1 即代表电平“1”光功率，P0 则代表电平“0”光功率，如图1所示。

图1 典型的眼图特性

如何理解消光比的大小？

知道了消光比的定义我们不禁要问，其对PON 系统究竟有什么影响，大小多少合适？

衡量一个光传输系统性能好坏最直接有效的参数是误码率(Bit Error Ratio)，通常一个设计很好，没有任何干扰的数字通信系统都能实现无误码传输，这种系统要求发射光功率足够高，并且系统损耗(例如光纤损耗)足够低。但是这种系统通常成本非常高，实际情况中，随着信号干扰，传输损耗等等因素，误码率会不断下降，消光比即是其中一个非常重要的因素。

通过消光比的定义可知，消光比代表的是“1”电平与“0”电平分开的程度。消光比越大，眼图张的越开，“1”电平与“0”电平越容易分辨，抗噪声的能力越强。在这个意义上来说肖光比越大越好。

图2展示了一个最简单的消光比图和功率预算的反比关系曲线。从图中可以看到，消光比在8.2dB，相对于要实现一个完美的无误码传输系统的话，那么以提升大概1.2dB的输入功率为代价。对于另外一种性能的系统，如果是要达到同样的误码率情况，可以提升消光比到13dB,但此时仍然距离理想传输还有0.2dB的功率代价，不过相对于之前的系统，已经提升了1dB的功率代价。所以这就解释了功率预算和消光比的关系，大致构成的函数关系。

图2 BER功率预算 VS ER

图3为IEEE802.3av对10GEPON ONU端发射光功率的要求。从图中可以看出，允许最小的ER为6dB，但实际可以允许光功率劣化，但是相应的ER需相应提高来弥补发射光功率降低所带来的BER劣化。当ER>9dB以后，要求的最小光功率不再放宽。

但是从图中标注了Infinite ER，是否ER是越大越好，甚至于接近无穷大时最好呢？答案当然是否定的。理论上来说当然是ER越大越好，但实际的传输系统无法做到，即使增大了ER，但是可能会导致其他更多增大误码率的因素，毕竟ER只是影响BER的其中一环。

图3 10GEPON ONU发射要求

表5为ITU-T984.2 物理媒质相关(PMD)层对于ONU 1244Mbit/s 上行方向的消光比要求为大于10dB。并没有上线的要求。

PON 系统的发射机

半导体激光器

目前光传输系统发射机普遍采用的光源——半导体激光器。半导体激光器包含多种类型，如FB，DFB，DBR，VCSEL 等等，其都有一些共同的特性。以DFB 单纵模激光器为例，其典型的PI 曲线如图4：

图4 LD 的典型PI 曲线

Ith 为LD 阈值电流。半导体激光器的发光谱线较为复杂，会随着工作条件的变化而发生变化，当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变

窄，强度增强，出现激光；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模。如图5 所示：

图5 DFB LD 注入电流与发射光谱关系

通常我们采用直接调制的方法即用电信号脉冲码流去直接调制半导体激光器LD，用改变激光器工作电流的办法使其发光或不发光，如图6 所示。当电脉冲为“0”码时，LD 只发出微弱的光(P0)，此时注入电流=IB；而当电脉冲为“1”码时，LD 中的工作电流会大于其阈值电流，于是发出谱线尖锐、大功率的激光(P1)，此时注入电流=IB+IMOD。

图6 LD 直接调制

电光延迟与张弛振荡

半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图7 所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个时间延迟，称为电光延迟时间，一般为纳秒量级。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲表现出衰减式的振荡，称为张弛振荡。张弛振荡的频率一般为几百兆赫兹到2GHz 的量级。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏置量有关。

图7 光脉冲的电光延迟与张弛振荡

当信号的调制频率接近张弛振荡频率时，将会使输出光信号的波形严重失真，势必会增加接收机的误码率，所以，半导体激光器的张弛振荡和电光延迟的存在限制了信号的调制速率应低于张弛振荡频率，这样才能保证信息传输的可靠。

可以通过在半导体激光器脉冲调制时加直流预偏置的方法来使脉冲到来之前将有源区内的电子密度提高到一定程度，从而使脉冲到来时，电光延迟时间大大减小，而且张驰振荡现象可以得到一定程度的抑制。随着直流预偏置电流的增大，电光延迟时间逐渐减小。增加直流预偏置电流也有利于抑制张驰振荡。

半导体激光器的啁啾效应

啁啾声仅当光源器件为单纵模激光器(SLM)时才可能出现。当单纵模激光器工作在直接调制方式时，如果码速率很高，由于LD 中的工作电流随码流的高速变化而高速率变化，注入电流的高速变化会引起载流子密度的高速变化，使单纵模激光器有源区的折射率指数也发生变化，从而使激光器的谐振腔光通路也发生变化，最后结果使振荡光波长发生偏移，即所谓啁啾声现象，啁啾声现象严重地破坏了系统的正常传输。啁啾增加了色散，降低了长距离传输的功率预算。

啁啾声系数α 的定义为：

式中：

Φ：是信号的光相位；

P：是光信号的光功率。

对于直接调制的分布反馈型(DFB)单纵模激光器而言，其啁啾声系数α= 4~6ps/nm；对于直接调制的多量子阱型(MQW)单纵模激光器而言，其啁啾声系数α= 2~4ps/nm。

外调制器光源的啁啾声系数α 一般来说小于1 ps/nm。

光源器件的啁啾声对传输距离的限制目前尚无公认的计算公式，但有以下公式可作为参考：

式中：

α：为光源器件的啁啾声系数(ps/nm)；

D(λ)：为光纤的色度色散系数(ps/nm.km)；

λ：为系统的工作波长上限(nm)；

B：为系统的传输速率(Mb/s)。

ER过大的负面影响？

ER增大可降低误码率，但是增大ER本身需要LD降低“0”电平，增大“1”电平的功率来实现。(LD的发光功率有上限，“1”电平不可能无限增大，受光驱动芯片调制电流的驱动能力，激光器的斜效率以及电源功耗等的影响)，“0”电平降低意味着减小IB，当IB远小于阈值电流时，LD会出现很多不可控因素：

1、啁啾效应：如上所述，啁啾引入了色散代价，码间干扰增加，降低了长距离传输后的功率预算；

2、电光延迟与张弛振荡：直接导致眼图抖动变大，“1”“0”电平噪声增大，Q值下降，导致误码率增加；

3、眼图过冲与振荡：由于IB远低于阈值电流后，LD开关延迟增长，负载变轻后会导致光脉冲产生过冲与振荡，抖动增加，影响CDR时钟锁定与“1”“0”电平判决，导致误码率增大。

图8、图9显示了IB过小后的眼图，眼图散点，杂乱，过冲与振荡，这些因素可能导致CDR失锁，“1”“0”电平采样判决错误等等，从而导致误码率增大。

图8 IB过小导致波形底部过低眼图变形

图9 IB过小导致振荡与过冲

综上所述，光眼图的消光比的大小需要综合考虑，既不能太小，也不能太大。正确的处理方式是下限必须需要满足协议所要求的最小值，同时规定相应上限保证眼图模板余量与通道代价余量等硬性指标。所以尽管理论上讲消光比越大越好，但是在实际工程使用中消光比还是不能太大。

标准协议是没有上线要求的，上线设置多少，具体要根据实际通信预算代价而定。比如，对于GPON系统ONU端发射眼图消光比要求不小于10dB；但是对于实际产品我们测试要求比如11dB到14.5dB；考虑到设备误差、测试拓扑误差以及光器件效率等问题，下线留有1dB的余量，上线不超过14.5dB。由于大规模生产，我们也必须控制该指标的波动范围不能太大。

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