直调光模块中的消光比（ER）和光调制幅度（OMA）

​ 我们在有些用于短距传输的直调光模块的手册上通常会去重点关注与DML或EML相关的ER和 OMA两个指标。那么它们代表了什么意思呢？二者有什么关系呢？取值多大合适？怎么测试？今天带着这几个问题，来谈谈这方面的知识。

1. 定义与计算

ER，extinction ratio，消光比，指的是信号发送高电平和低电平时光功率的比值，即：

(1)

不过通常在手册上看到的是它的对数形式，即ERdB = 10*log10(ER)，如果发送“1”和“0”的光功率P1和P0都是用dBm单位的话，对数消光比就等于二者功率之差，即ERdB)= P1(dBm) -P0(dBm)。

OMA，optical modulation amplitude，光调制幅度，指的是光信号经过调制后高电平和低电平时光功率的差异，即：

(2)

很显然，ER和 OMA都是代表发送高电平和低电平信号时光功率的差距，只不过ER表示的是相对差距，而OMA表示的则是绝对的差异。

2. 意义及相互转换

那为什么ER和 OMA重要？

凭直觉就知道，“1”和“0”的光功率区分度越大，在接收端就更容易区分“1”和“0”了，误码率BER自然就小了。事实上理论上也很容易去证明这一点。

还记得上次我们讲眼图的时候，提到过品质因子Q的定义，对吧？就是下面这个式子：

其中分子是高低电平对应的光功率之差，也就是OMA了，而分母是高低电平的标准差之和，其实代表了噪声的大小。对于热噪声受限的PIN接收机，高低电平对应的噪声是一样的。因而对于给定的接收机，Q因子仅由OMA决定。进一步地，我们之前也提到过，Q和 BER是满足确定的函数关系，即:

所以说高低电平对应光功率的差距直接反映了光模块的性能。那么这两种衡量光功率差异的指标之间有没有关系呢？

为了确定相对差异和绝对差异之间的关系，引入一个中间量作为参考是有必要的。这个量就是经常用到的平均光功率Pave。其定义为：

(3)

联合（1），（2），（3）式，进行简单的变量替换后，利用中间量Pave很容易得到OMA和ER之间的关系。

(4)

(5)

以及P1，P0与ER和 Pave之间的关系。

(6)

(7)

从（3）~（7）式不难看出，P1,P0,Pave,ER,OMA这五个量中仅有2个是独立的，知道任意2个就可以利用上述关系求得其它几个的值。基于此，下面的分析我们还是选取较熟悉的Pave和ER来作进一步地分析吧。当然，ER和OMA还是有区别的，这表现为当光信号经过衰减后，ER不变，但是OMA却按照信号衰减系数减小了，反之经过光放后，也类似。

当然，ER和 OMA在眼图上来看也是十分直观的，如图1所示。ER和OMA越大眼图张开度越好。

图1. 眼图中OMA示例

3. ER的代价及实际取值

以上单从接收机灵敏度（或BER）的角度分析了，较大的ER或OMA对改善BER是有好处的，而且，进一步地还可以计算相比于ER为无穷大的时候，有限的ER会引入的功率代价为：

(8)

从上式可知，6dB左右的ER （如DML），引入的功率代价约为2dB，而9dB左右的ER（如EML），引入的功率代价约为1dB。这也很容易解释为何通常EML的性能会比DML好，一部分原因就是因为EML有更高的消光比。那对于直调光模块，是不是消光比越高越好呢？

先看看怎么提高DML的消光比吧。从定义上看就是要增加激光器的开和关两种状态下的光功率的相对差距，那最直接的办法就是增加驱动电压的幅度，增加高电平和低电平的差异。但是这样会带来两个问题。

其一，驱动电压幅度增加容易导致DML中载流子密度交替变化，从而引起有源区折射率的变化，激光器波长发生漂移，电流会因子激光器波长漂移，俗称啁啾，最终的表现是低电平的光信号波长长，高电平光信号波长短，二者在光纤中的传输速度不同，从而引起信号时域展宽，容易造成码间干扰（ISI）。因此高的ER对于DML来说也可能会增加啁啾引起的代价。

另一方面，激光器从低功率（P0）到高功率输出（P1）转换过程需要时间，与载流子渡越时间相关，功率差异变大，会增长渡越时间，从而降低了调制带宽。因此高速DML的 ER通常会比较小点。

那实际中，ER会是多大呢？这取决于DML的直流偏置。如图2所示，为了减小高速DML中的电光延时、弛豫震荡和码型效应，DML的偏置点通常会在阈值附近，这也就是说发“0”的时候，激光器也是发光的，即P0不为0，这显然会降低ER。

图2. 典型的半导体激光器PI特性曲线

而从接收机的角度讲，有一个过载光功率PRth，即当接收到的平均光功率超过该值后，接收机饱和，不能正常工作。所以正常工作时要求P1不超过2PRth-P0，从而最大的消光比为ERmax = 2PRth/P0-1。

再结合图3看看由（8）式计算的功率代价与ER的关系曲线，发现其实当ER超过20dB后，基本对性能没有影响。超过15dB之后，事实上ER提升对性能改善作用就不大了。因此过高的ER也没什么作用，相反可能会增加功耗。

对于25G NZR信号，商用DML的 ER通常在 4~6dB，而EML的ER在8~10 dB.

图3. 有限消光比造成的功率代价

4. 光模块及ER测试

再谈谈怎么测试ER吧。其实，测试ER本身很简单，但是整个光模块却要做很多的测试，如图4所示。

图4. 短距光模块的主要测试项示意图

在发端，主要是测试两项，1是输入信号的电眼图，以保证输入信号的质量足够好。2是测试经过调制后光信号的质量，如光眼图，ER，OMA。通常用带光口的眼图仪，也叫数字通信分析仪（DCA），实在没有光口的，就用一个大带宽的光电探测器（PD）转成电后再看电眼图。眼图仪可以直接测量眼图，顺便显示OMA，ER，Pave等参数，直接读就行了。不过，这时候还要看发送的光眼图通过对应速率的眼图模板的裕量。如下图所示，模板的灰色区域不得有信号样点落入其中。

图5. 眼图模板示例

而接收端的测试与发送端不同，一般需要测试足够差的信号，也叫压力测试，来评估最坏的情况。接收机最终输出的电信号也要进行测试，包括眼图和BER，抖动，抖动跟踪能力的容忍度。

实际中测试光模块是件很复杂的事情，不同型号，不同速率，不同标准的，对应的测试指标和手段也不尽完全相同，需要遵照相应的测试标准和流程。

参考资料：

[1] https://www.lightwaveonline.com/opticaltech/article/16650474/ the-increasing-importance-of-extinction-ratio-in-telecommunications

[2] https://www.etulinktechnology.com/blog/how-to-test-a-optical-transceiver-_b52

[3] https://wenku.baidu.com/view/9d5fd6ebf18583d048645967.html

注：本文首发于本人微信公众号：光通信充电宝。

作者：华仔

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光模块的核心器件包含哪些？

光模块作为光纤通信系统中重要的组成部分，它起到光电转换的作用。本篇文章易天光通信（ETU-LINK）就为大家介绍下光模块的核心器件分别包含哪些？

图片来源于网络

1、TOSA ：主要作用是实现电信号转光信号 ，主要包括激光器、MPD 、TEC 、隔离器、Mux 、耦合透镜等器件，有TO-CAN 、Gold-BOX 、COC（chip on chip) 、COB(chip on board) 等封装形式。对应用在数据中心的光模块，为了节省成本，TEC 、MPD 、隔离器都不是必备项。Mux 也仅在需要波分复用的光模块中。此外，有些光模块的LDD 也封装在TOSA 中。在芯片制程中，则将磊晶圆，制成雷射二极管。随后将雷射二极管，搭配滤镜、金属盖等组件，封装成TO can（Transmitter Outline can），再将此TO can与陶瓷套管等组件，封装成光学次模块（OSA），最后再搭配电子次模块。

2、LDD( LaserDiode Driver) ：将CDR 的输出信号，转换成对应的调制信号，驱动激光器发光 。不同类型的激光器需要选择不同类型的LDD 芯片。在短距的多模光模块中（例如100G SR4 ），一般来说CDR 和LDD 是集成在同一个芯片上的。

3、ROSA ：主要的作用是实现光信号转电信号 ，内置器件主要包括PD/APD 、DeMux 、耦合组件等，封装类型一般和TOSA 相同。PD 用于短距、中距的光模块，APD 主要应用于长距光模块。

4、CDR(Clock and Data Recovery) ：时钟数据恢复芯片的作用是在输入信号中提取时钟信号，并找出时钟信号和数据之间的相位关系 ，简单说就是恢复时钟。同时CDR 还可以补偿信号在走线、连接器上的损失。一般会使用到CDR的光模块，大多都是一些高速率、长距离传输的光模块，例如:10G-ER/ZR 一般都会用到的，使用CDR芯片的光模块会被锁定速率，不可以降频使用。

5、TIA( Transimpedance amplifier)：配合探测器使用。探测器将光信号转换为电流信号，TIA 将电流信号处理成一定幅值的电压信号，我们可以将它简单的理解为一个大电阻。PIN-TIA，PIN-TIA光接收器是用于光通信系统中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件，其工作原理是：PIN的光敏面受探测光照射时，由于p-n结处于反向偏置，光生载流子在电场的作用下产生漂移，在外电路产生光电流；光电流通过跨阻放大器放大输出，这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能。

6、LA(Limiting Amplifier) ：TIA 输出幅值会随着接收光功率的变化而改变，LA 的作用就是将变化的输出幅值处理成等幅的电信号，给CDR 和判决电路提供稳定的电压信号。高速模块中，LA 通常和TIA 或CDR 集成在一起。

7、MCU ：负责底层软件的运行、光模块相关的DDM 功能监控及一些特定的功能。

以上就是易天光通信（ETU-LINK）为大家介绍的部分光模块器件，光模块根据不同场景的选择和使用是完全不同的，其中最主要的就是根据传输速率，传输距离，不同的波长来选择激光器类型和调制方式。

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