CN101124468A - 光调制振幅测量 - Google Patents

Abstract

一种测量与输入信号关联的光调制振幅(OMA)值的技术，包括下述步骤/操作。将输入信号施加到光检测器，其中光检测器被校准以具有给定的响应度值R，并且其中光检测器响应于输入信号生成输出信号。将光检测器的输出信号施加到射频(RF)功率计，其中RF功率计测量接收自光检测器的输出信号的均方根(RMS)功率值。响应于由RF功率计测量的均方根(RMS)功率值，确定与输入信号关联的OMA值。该OMA值可以根据从数据信号的振幅与该数据信号的RMS值之间的关系推导出的因子F来确定。

Description

光调制振幅测量

技术领域

本发明涉及光网络参数测量技术，并且更具体地，涉及用于测量光调制振幅的技术。

背景技术

光纤信道(FC)标准是美国国家标准委员会(ANSI)标准设置，其定义了适用于不同协议或应用的公共传送系统。最初的核心FC标准被标识为X.3230-1994-光纤信道物理和信令标准(FC-PH)，在此通过引用将其公开的内容并入。

直到最近，规定了FC光收发器具有的在最小消光比水平下就平均光功率测量的可接受的光接收器灵敏度和发射器输出的范围。当光链路发生故障时，故障确定过程通常要求在链路的发射端和接收端测量平均光功率。如果收发器的功率水平在规定的限度内，但是链路继续出现故障，则问题归因到光缆设备。有可能使用平均光功率计来测量链路的分段，直到故障被定位和纠正。另一方面，通过测量收发器的光输出和输入功率水平，可以识别损坏的收发器。如果链路正在递送可接受的功率水平而持续出现错误，则假定故障位于光接收机中。

然而，最近，FC标准修改了其规范。该修改可以在FC-PI-2，修订4，附录A.5中找到，在此通过引用将其公开的内容并入。该标准现在定义了新的参数：光调制振幅(OMA)，而不是包括在给定消光比下的接收机灵敏度，其中光调制振幅(OMA)指代信号的光振幅，即逻辑1和逻辑0之间的振幅差。OMA是接收的平均光功率P_AVE和消光比E的函数：

$\mathrm{OM}{A}_{\mathrm{Linear}}=2*P_{\mathrm{AVE}}*\left(\frac{E-1}{E+1}\right),$ 其中OMA为线性单位，或者

$\mathrm{OM}{A}_{\log }=10*\log 10\left(\frac{2*P_{\mathrm{AVE}}*\left(\frac{E-1}{E+1}\right)}{0.001}\right),$ 其中OMA以dBm为单位，P_AVE以瓦为单位。

消光比是在完全调制条件下测量的逻辑级1和0之间的光功率的线性比。该标准修改意味着不再可能简单地通过测量到接收机的平均光功率输入来确定光收发器是否处在规范内。如在标准中规定的，OMA需要测量消光比，根据现有的测量方法，只有在实验室或制造环境中用昂贵的数字示波器或类似设备才可能精确地测量消光比。

该情况当前影响所有的FC元件，以及IBM公司的zSeries^TM光纤连接(FICON)链路(其使用FC物理层)。同样，使用基于OMA的规范的实践已经存在于10吉比特/秒的以太网(10G以太网)标准中，在此通过引用将其公开的内容并入，如将在下文进行解释的。基于OMA的规范将来很可能扩展到更高的数据率标准或更多数量的光纤的链路，以及除FC和10G以太网之外的其它协议。

因为两种标准规定的OMA测量技术在由安装/维修人员在现场执行时相当困难和昂贵，所以将期望具有低成本的便携式OMA测量工具，其可以于各种标准相关。

10G以太网标准规定了使用光检测器和功率计的相对强度噪声(RIN)OMA测量。这样的方法是噪声功率对信号功率的比率测量，并且因此不校准光检测器以获得真实的OMA读值。

惠普(Palo Alto，CA)生产了8151A光脉冲功率计，其能够测量高达250兆赫兹(MHz)的方波信号的OMA。该单元使用单独的具有可变斜率的高峰值检测电路和低峰值检测电路来确定高的光水平和低的光水平。

美国专利No.5,850,409和美国专利申请No.2003/0090289A1都描述了用于“测量OMA”的方法和电路。但是，实际上，这些方法和电路被配置用于在发射器已经由用户正确配置之后，随着温度变化维护发射器的内部OMA。这些方法和电路不会也不可能报告已校准的OMA。

发明内容

根据本发明的一方面，一种测量与输入信号关联的光调制振幅(OMA)值的技术包括下述步骤/操作。将输入信号施加到光检测器，其中光检测器被校准以具有给定的响应度值R，并且其中光检测器响应于输入信号生成输出信号。将光检测器的输出信号施加到射频(RF)功率计，其中RF功率计测量接收自光检测器的输出信号的均方根(RMS)功率值。响应于由RF功率计测量的均方根(RMS)功率值，确定与输入信号关联的OMA值。

此外，可以从光纤链路将输入信号施加到光检测器。光检测器可以响应于输入信号生成光电流。基于给定的响应度值R，光电流可以转换为平均光功率值。所述确定步骤/操作可以进一步包括将RMS功率值转换为OMA值。可以根据因子F来执行转换，该因子F可以从数据信号的振幅与该数据信号的RMS值之间的关系以及测量系统的频率响应推导出。

而且，输入信号和OMA值可以适合于或理想地用FC标准和/或10G以太网标准来形成或验证。

此外，光检测器可以包括光电二极管。所述确定OMA值的步骤/操作可以根据处理器或查找表来执行。该技术还可以包括基于平均光功率值和OMA值来确定消光比的步骤/操作。

在本发明的另一方面，一种测量与输入信号关联的OMA值的技术包括：获得输入信号，以及通过根据因子F转换从输入信号测量的均方根(RMS)功率值来确定与输入信号关联的确定OMA值，其中用于因子F的最佳值是这样的值，当其用于从RMS功率转换为OMA时，该值给出了基本上与使用标准指定的方法获得的OMA值相一致的OMA值。

因此，本发明的原理提供了能够在各种设置和应用中测量OMA的技术。例如，本发明的技术可以用于OMA的现场(例如，客户位置)测量。而且，通过另外的例子，本发明的技术可以用于光组件制造测量，其可以通过降低设备成本和加快测试时间来降低成本。

附图说明

现在将仅作为示例并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是说明根据本发明实施例的光调制振幅计的示图；

图2是说明10G以太网标准的光调制振幅测量和根据本发明实施例的光调制振幅测量的比较的示图；

图3是用术语定义来说明理想方波图案的示图；

图4A是说明在均方根模拟中使用的各种滤波器的频率响应的示图，各种示波器的频率响应代表不同的系统响应；

图4B是说明从图4A的滤波器之一的使用中得到的代表性眼图的示图；以及

图5A和图5B是使用两种长度的方波图案示出作为信号带宽和滤波器形状的函数的因子F的最佳值的示图。

具体实施方式

尽管下面将在FC标准的上下文中描述说明性的实施例，但是应该理解本发明的原理不限于与FC标准一起使用并且因此更一般地可应用于与任何合适的高数据率传送系统(例如FICON(光纤连接)、10G以太网等)一起使用。此外，尽管本发明的原理可适用于在故障确定中使用，但是它们不限于在那里的使用。也就是说，本发明的OMA测量技术可以适用于数据通信标准合格性测试和验证、现场应用、制造应用等。

如下文将详细说明描述的，本发明的原理提供了一种新的便携式低成本测量工具，其能够直接确定光纤链路上的OMA水平并且使它们与各种标准相关。

在一实施例中，便携式OMA计包括已校准的光检测器、射频(RF)功率计和处理器。在大多数情况下，光检测器直接连接到RF功率计，但是也可以在光检测器与RF功率计之间放置放大器和衰减器以分别处理很弱信号或很强信号的情况。光检测器具有响应度R，其在感兴趣的若干波长上进行校准，例如在850纳米(nm)、1310nm和1550nm上。假设直流(DC)和交流(AC)响应度是相同的；但是，如果二者不同，则本领域的普通技术人员将更容易明白如何调节该校准。此外，不同于DC的AC响应度差值可以在处理器中加以估计。应该明白，可以购买到已校准的光检测器，或者本领域的普通技术人员将认识到如何使用公知的校准技术(例如国家标准和技术委员会(NIST)校准服务)来校准光检测器。

应该理解，光检测器可以例如是镓砷化物(GaAs)或铟镓砷化物(InGaAs)的正-本征-负(PIN)光电二极管或金属-半导体-金属(MSM)光检测器。事实上，根据本发明的技术可以使用合适的光检测器而不是光电二极管。

测量光检测器的直流(DC)光电流，I_DC，并使用简单的关系： $P_{\mathrm{AVE}}=\frac{I_{\mathrm{DC}}}{R}$ 将其转换为平均光功率。RF功率计测量从光检测器到50欧姆负载的信号的均方根(RMS)电功率，其通过下面的关系转换为OMA：

$\mathrm{OMA}=10*\log 10\left(\frac{I_{\mathrm{PEAK}}}{R*0.001}\right)=10*\log 10\left(\frac{F*\sqrt{I_{\mathrm{RMS}}^2}}{R*0.001}\right)=10*\log 10\left(\frac{F*\sqrt{(0.001*{10}^{\left(\frac{{\mathrm{RF}}_{\mathrm{RMS}}}{10}\right)}/50)}}{R*0.001}\right)$

该关系将以下面的方式进行解释。等式根号下的部分将测量的RF RMS功率RF_RMS从dBm转换为RMS信号电流的平方，I² _RMS。RMS信号电流接着通过乘以因子F被转换成峰值光电流I_PEAK。该因子F来自数据信号(例如方波信号)的振幅与该数据信号的RMS值之间的关系。下文将对该因子进行更详细的讨论。然而，在一实施例中，因子F可以等于2或者大约等于2，例如2.10。然而，可以使用另外的合适的因子。

峰值电流通过除以光检测器的响应度R被转换为线性OMA。最后，线性OMA通过除以1毫瓦(0.001瓦)和以10为底取对数而转换为以dBm为单位的OMA。

此外，使用所确定的P_ave和OMA值，可以计算消光比。因此，本发明的原理也提供了便携式的消光比测量工具。

首先参考图1，该示图说明了根据本发明实施例的光调制振幅计。如图所示，OMA计100包括：已校准的光检测器102，其生成DC光电流104和AC光电流105；RF功率计106，其测量信号RMS功率108；以及处理器110，其响应于输出104和108执行平均光功率计算112和OMA计算114。另外，OMA计100包括存储器116、输入/输出(I/O)设备118，数据接口120和条形码扫描仪122，上述每个均经由合适的计算机总线124操作上耦合到处理器110。此外，如图所示，OMA计的组件容纳在便携式外壳126中。

此处使用的术语“处理器”旨在包括任何处理设备，诸如包括CPU(中央处理单元)和/或其它处理电路的设备。作为进一步举例，处理器可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)或一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)。还应该理解，术语“处理器”可以指代超过一个的处理设备，并且与处理设备相关联的多种单元可以被其它处理设备共享。

处理器110还可以与其存储器116相关联，存储器诸如RAM、ROM、固定的存储器设备(例如，硬盘驱动器)、可移除存储器设备(例如，软盘)、闪存等。因此，包括用于执行此处所述方法的指令或代码的软件组件可以存储在一个或多个关联的存储器设备(例如，ROM、固定的或可移除的存储器)中，并且，所述软件组件当准备好进行使用时，加载其部分或全部(例如，到RAM中)并且由CPU来执行。

同样，处理器110还可以与其一个或多个用于将数据输入处理单元的输入设备(例如，小键盘等)以及/或者一个或多个用于呈现与该处理单元相关联的结果的输出设备(例如，扬声器、显示器等)相关联。这样的设备被称为I/O设备118。同样，光检测器102和RF功率计106可以具有其自己的I/O设备(例如，显示器)，其可以根据OMA计100来使用。

此外，处理器110还可以与其一个或多个数据接口120相关联，用于将根据由OMA计100执行的操作所获得的数据格式化为一个或多个用于从该OMA计远程传送(上载)到源的数据格式。例如，诸如平均光功率计算(112)和OMA计算(114)的计算结果可以被格式化为特定的格式以便传送给OMA计100可以操作上与其耦合的计算系统。

此外，处理器110还可以与条形码扫描仪122相关联，所述条形码扫描仪122在读取正使用OMA计100来测量的特定组件所附的统一产品代码(UPC)标签时使用。例如，条形码扫描仪可以扫描光收发器上的UPC，使得对该收发器的任何读数根据与该收发器相关联的索引号(例如，序列号)来存储。这将便于检索和引用所获得的测量。

在一说明性的实施例中，已经使用New Focus(San Jose，CA)的型号1481的光检测器以及带有HP8484A功率头的惠普HP437B RF功率计实现了一种便携式OMA计。在该情况下，当人工记录功率计读数时通过使用已编程的电子数据表单元(例如，Microsoft Excel)来执行OMA的计算，或当功率计由计算机通过通用目的接口总线(GPIB)端口来读取时利用LabView(国家仪器公司，Austin，TX)程序来执行OMA的计算。

为了验证该技术的使用，使用10Gb/s以太网的物理层规范的章节52.9.5中规定的方法(标准方法)来测量12个信道的并行光发射器的每个信道的OMA，并且将该OMA与根据RMS RF功率计对相同信号的读数计算的OMA相比较。图2的曲线图用菱形示出了用标准方法得到的测量结果，并且用三角形和正方形示出了使用根据本发明的RF功率计得到的两个测量。标准方法与该方法之间的差小于0.5dB或11％。使用RF功率计的两条曲线之间的差是一种试验，以便通过对测量增加一些延迟时间，观察该结果是否受影响。在该情况下，延迟时间不会显著影响结果。

该特定实现能够测量低至-15dBm水平(噪声最低值)和高至+7dBm(饱和水平)的OMA。

在该特定实现中，dc光电流不会被监测，也不会相对平均光功率进行验证，因为这被认为是价值不高的，这是由于New Focus的型号1481在其前面板上提供了已校准的dc光电流输出。

然而，在该特定实现中，由于RF功率计导致该OMA计不是便携式的；安捷伦科技(Palo Alto，CA)提供具有可选电池组的这种功率计，以用于现场测量。Aeroflex公司(Plainview，NY)也提供便携式RF功率计型号No.6970，其可以被使用。

利用RF功率计测量OMA的一个主要优点在于绝对简单。不需要设置和触发高速示波器并且接着在单独的1和0水平上获得频率曲线，以便获得OMA。本发明的OMA计仅需要光信号。在实践中，已经发现该方法也适用于全速调制信号，而不仅仅适用于方波图案。这对于现场测量是有益的，在现场测量中，当服务或诊断一个使用中的系统时，服务技术人员可能不能够配置I/O端口以生成方波图案。

尺寸是另一个优点。该特定实现相比高速示波器而言，仅占有小得多的空间和重量。可以预期，特别为现场设计的单元甚至可以做得更加紧凑。

成本是另一个优点。在该特定实现中的组件的当前成本大约是高速示波器成本的1/7。可以预期，当制造现场便携式单元时，可以实现进一步的成本节省。

该技术提供了对OMA的已校准测量，其可以用于检验是否与各种标准一致。

该测量技术不依赖于信号的数据率。因此，其可以从现有的1Gb/s和2Gb/s模块扩展到高达10Gb/s和更高，其仅仅受限于光检测器和RF功率计的带宽。

在根据RF功率的RMS值计算OMA时使用的因子F来自于数据信号(在此情形中为周期性的方波信号)的RMS值对于其峰值到峰值振幅的关系。使用图3中说明的术语，对于理想方波图案，

$V_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{v}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^{T/2}{\left(V_{\mathrm{peak}}\right)}^2\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_{T/2}^T{\left({-V}_{\mathrm{peak}}\right)}^2\mathrm{dt}}=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^{T/2}{\left(\frac{V_{\mathrm{amp}}}{2}\right)}^2\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_{T/2}^T{\left(\frac{{-V}_{\mathrm{amp}}}{2}\right)}^2\mathrm{dt}}=$

$\sqrt{\frac{1}{T}\frac{T}{2}\frac{V_{\mathrm{amp}}^2}{4}+\frac{1}{T}\frac{T}{2}\frac{V_{\mathrm{amp}}^2}{4}}=\sqrt{\frac{V_{\mathrm{amp}}^2}{4}}=\frac{V_{\mathrm{amp}}}{2}$

或者V_amp＝2*V_RMS。对于理想正弦波，V_amp＝2*V_RMS。这将建议，对于理想数据图案，其可能具有过冲、反冲和/或符号间干扰，则RMS值和峰值对峰值信号振幅之间的精确关系可能处在2和2之间的某处。

为了调查这一点，执行模拟以便在给定用可变带宽和滤波器(filter)形状过滤的理想方波图案的情况下计算最佳因子F。F的最佳值是这样的值，当其根据本发明用于从RMS功率转换为OMA时，其将给出一个与使用标准规定的方法(例如FC或10G以太网)获得的OMA值相一致的OMA值。滤波器意在表示在现场可能碰到的各种系统响应。

图4A示出了一组示例性的滤波器，而图4B示出了使用那些滤波器之一得到的模拟的眼图(eye diagram)。注意，在该眼图中存在大量的过冲，其代表了以10Gb/s的很多垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的发射眼图。

图5A和图5B通过比较信号的RMS值与在10G以太网中定义的计算OMA的方法示出了最佳因子F的计算。10G以太网标准规定周期范围从8到22比特的可变长度方波可以用于确定OMA。因此，在图5A和5B中计算了两个端值的情况。在这些曲线中，随着信号带宽增加，并且更类似于理想方波图案，F的最佳值到达2。对于较低的信号带宽，F的最佳值如所期望的一样上升。

注意，因为10G以太网标准规定了该可变长度方波，所以在该标准中定义的OMA的测量将取决于所选择的方波的周期而变化。这是使用如上所述的同一组滤波器来调查的。已经发现，对于低至数据率为0.3的系统带宽，方波周期的范围导致所测量OMA发生5％的变化。也就是说，两个人可以使用该标准的不同端值来测量同一信号的OMA，并且得到的值相差5％。

图5A和5B示出的曲线可以用于选择针对给定的本发明的实现的因子F的合理值。例如，如果光检测器102具有10GHz带宽，并且被用在测量10Gb/s信号的仪器中，则可以合理地假设，对于大多数情况，总的信号带宽(其将被光检测器过滤)将可能具有范围是7-10GHz的带宽。根据曲线图，对因子F的较好选择将是2.1，因为与使用具有22比特周期的方波得到的OMA测量相比，这将引起最坏情况下+7％和-5％的误差。当使用8比特周期的方波时，该误差范围减小到+6％和-2％。

本发明的优选的OMA计实现具有已校准的光检测器、RF功率传感器和处理器，其完全容纳在电池操作的手持尺寸的盒子中。

作为替代，本发明的OMA计实现可以包括已校准的光检测器、RF计和查找表。也就是说，不再使用处理器经由实时计算来确定OMA结果，而是可以针对给定的RMS值通过根据查找表提供的OMA结果来预先计算OMA结果。因此，该OMA计的用户可以根据RF功率计获得RMS信号功率，并且通过参考查找表确定OMA值，该查找表具有与该RMS值相关联的OMA值。此外，足够熟悉重复测量的RMS值的用户可能简单地想起相应的OMA值，而不需要参考查找表。作为示例，查找表可以打印在该OMA计上或者通过显示器或与OMA计相关联的某种其它输出机制而可以获得。

此外，OMA计可以具有针对在若干离散波长上的光检测器响应度的输入，或者可以具有在存储器中存储的整个响应度曲线，其中输入仅针对波长。

如上所述，OMA计的动态范围可以通过使用放大器和/或衰减器甚或可变增益放大器而扩展。任何放大器的增益或任何衰减器的损耗都将在OMA计算中进行考虑。

此外，因为本发明的OMA计具有测量DC光功率的能力，所以在现场将不需要单独的光功率计。

OMA计(处理器)可以存储针对各种标准的可接受的OMA范围，并且向现场工程师提供合格/不合格指示。这样的单元也将拥有下述能力，即，随着新标准的生成、旧标准的修改或者定制(例如，对于公司或供应商特定的)限制的采纳而进行更新。

为了进一步降低成本，光检测器和功率传感器的带宽可以故意地设低，或者选择为低，并且使用在图5A和5B中示出的曲线选择使RMS与OMA相关的合适的因子。

当数据信号不包含接近相等的1和0的分布时，或者数据信号不是诸如归零制(RZ)之类的NRZ格式时，不同的因子可以应用于从RMS到OMA的转换。

对光检测器的输入不一定必须是光纤耦合。也可以使用利用光学组件的自由空间耦合。

尽管此处已经参考附图描述了本发明的说明性实施例，但是应该理解，本发明不限于那些精确的实施例，并且本领域技术人员可以在不偏离权利要求书中限定的本发明的精神的情况下进行各种其它变化和修改。

Claims (17)

1.一种测量与输入信号关联的光调制振幅(OMA)值的方法，包括以下步骤：

将所述输入信号施加到光检测器，其中所述光检测器被校准以具有给定的响应度值R，并且其中所述光检测器响应于所述输入信号生成输出信号；

将所述光检测器的输出信号施加到射频功率计，其中所述射频功率计测量接收自所述光检测器的输出信号的均方根(RMS)功率值；以及

响应于由所述射频功率计测量的均方根功率值，确定与所述输入信号关联的光调制振幅值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中从光纤链路将所述输入信号施加到所述光检测器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述光检测器响应于所述输入信号生成光电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其中基于所述给定的响应度值R，所述光电流被转换为平均光功率值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定步骤还包括将所述均方根功率值转换为所述光调制振幅值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中通过下述等式，所述均方根功率值被转换为所述光调制振幅值：

$\mathrm{OMA}=10*\log 10\left(\frac{F*\sqrt{(0.001*10^{\left(\frac{{\mathrm{RF}}_{\mathrm{RMS}}}{10}\right)}/50)}}{R*0.001}\right)$

其中F表示预定的因子，而RF_RMS表示所测量的以dBm为单位的射频均方根功率。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述等式在根号下的部分将所测量的射频均方根功率RF_RMS从dBm转换为均方根信号电流的平方，I_RMS ²；接着，所述均方根信号电流通过乘以因子F转换为峰值电流，I_PEAK；所述峰值电流通过除以所述光检测器的响应度R转换为线性光调制振幅值；并且所述线性光调制振幅通过除以1毫瓦并以10为底取对数，最终转换为以dBm为单位的光调制振幅值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述因子F是从数据信号的振幅与所述数据信号的均方根值之间的关系以及测量系统的频率响应推导出的。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述输入信号可以适用于或者理想地用光纤信道标准和10吉比特/秒的以太网标准中的至少一种来形成或验证。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述光调制振幅值可以适用于或者理想地用光纤信道标准和10吉比特/秒的以太网标准中的至少一种来形成或验证。

11.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：基于平均光功率值和所述光调制振幅值来确定消光比。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定光调制振幅值的步骤是根据处理器或者查找表来执行的。

13.一种测量与输入信号关联的光调制振幅值的装置，包括：

光检测器，其用于接收所述输入信号，其中所述光检测器被校准以具有给定的响应度值R，并且其中所述光检测器响应于所述输入信号生成输出信号；

操作上耦合到所述光检测器的射频功率计，其中所述射频功率计测量接收自所述光检测器的输出信号的均方根功率值；以及

用于响应于由所述射频功率计测量的均方根功率值，确定与所述输入信号关联的光调制振幅值的装置。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述确定装置包括处理器。

15.根据权利要求13所述的装置，其中所述确定装置包括查找表。

16.根据权利要求13所述的装置，其中所述光检测器包括光电二极管。

17.一种计算机程序，包括用于执行根据权利要求1到12中任意一项的方法的步骤的可执行程序代码。

Images