CN104125012A - 一种高速光模块的测试方法及测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高速光模块的测试方法及测试系统,通过接收由被测高速光模块发送的光信号,并对光信号的OMA(光调制幅度)和光功率进行测量,通过计算获得消光比,若消光比符合产品规范,则对被测高速光模块进行误码测试,测试误码时采用采用一个标准接收管测试单元接收被测高速光模块输出的带有伪随机信号的光信号,并使用该标准接收管测试单元解调后进行比对完成误码率测试。

Description

一种高速光模块的测试方法及测试系统
技术领域
本发明涉及光通信设备生产测试领域,特别涉及一种生产高速光通信产品时,测试高速光信号眼图的方法及高速光模块检测系统。
背景技术
10G光模块的类型大致可以分为数据网应用和电信网应用,其中数据网光模块的传输距离短,产品相对比较简单,在生产中使用到设备有:
1.         误码分析仪;
2.         光衰减器;
3.         眼图仪;
4.         其他辅助装置比如电脑、测试治具、光源、光纤跳线等。
电信网应用的光模块一般用于长距离的传输,其中DWDM密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing)的光模块已经比较普遍,
对于DWDM的光模块生产,需要用到的设备有:
1.         误码分析仪;
2.         光衰减器;
3.         眼图仪;
4.         光谱分析仪或者波长计;
5.         其他辅助装置比如电脑、测试治具、光源、光纤跳线等
我们可以看出,除了DWDM光模块需要光谱分析仪或者波长计以外,10G光模块的生产设备基本相同。这些设备里面,误码分析仪和光衰减器的价格一般不会太高,但是眼图仪在所有的10G光模块生产中都占据了非常重要的地位,不但指生产的必要性,还有其高昂的价格,对于大批量生产的光模块产线来说,大量的添置眼图仪显然会增加光模块的生产成本。
眼图是指利用实验的方法估计和改善(通过调整)传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是:用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端,然后调整示波器扫描周期,使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步,这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛,故称 为 “眼图”。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响,从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整,以减小码间串扰和改善系统的传输性能。
通过眼图主要反映光模块输出光信号的两相指标:消光比和误码率,其中:消光比(extinction ratio; EX 或者ER)的定义:激光功率在逻辑“1”的平均功率和在逻辑“0”的平均功率之比。可用ER表示,一般用对数式表示为:ER=10lg(p1/p0)(dB) ,或者ER=P1/P0。
发明内容
本发明的目的是提出一种高速光模块的测试方法及测试系统,以取代目前使用眼图仪测试眼图,降低企业生产成本。
本发明的技术方案是通过接收由被测高速光模块发送的光信号,并对光信号的OMA(光调制幅度)和光功率进行测量,通过计算获得消光比,若消光比符合产品规范,则对被测高速光模块进行误码测试,测试误码时采用采用一个标准接收管测试单元接收被测高速光模块输出的带有伪随机信号的光信号,并使用该标准接收管测试单元解调后进行比对完成误码率测试。
具体技术方案是:一种高速光模块的测试方法,该方法对高速光模块输出光信号进行测试,包括以下步骤:
步骤1、高速光模块发送调制有由码型产生单元产生的数码的光信号;
步骤2、对光信号进行控制使光信号的光功率恒定不变;
步骤3、利用光电二极管接收光信号,测量光电二极管接收到的光信号的光功率                                                
步骤4、将光电二极管输出的电信号经过线性跨阻放大器输出,测量线性跨阻放大器的输出电压,并利用下列公式计算光调制幅度OMA:
式中:是线性跨阻放大器的跨阻,是光电二极管接收光转换的光电流,R是响应度,单位是A/W;
步骤5、按下列公式计算高速光模块输出光信号的消光比ER:
步骤6、利用标准接收管接收光信号产生电信号;
步骤7、对电信号进行解调成为数码,并将该数码与码型产生单元产生的数码进行比对,计算出误码率SNR。
通过该方法,实现了眼图仪的功能,为工厂生产高速光模块节省检测成本。
本发明还提供一种高速光模块检测系统,包括用来承载被测高速光模块,并且将所述的被测高速光模块的信号接口以及控制接口引出的测试治具;包括误测试单元和消光比测试单元;
所述的误测试单元的输出端与被测高速光模块的发射信号输入端相连,所述的误测试单元的输入端接收所述的被测高速光模块的输出光信号;
所述的消光比测试单元包括可调光衰减器、光电二极管、线性跨阻放大器、光功率计、电压计和控制模块;
所述的可调光衰减器的输入端与所述的被测高速光模块输出的光信号相连,在所述的控制器控制下输出恒定的第一光信号;所述的光功率计测量第一光信号的功率,所述的光功率计的输出接所述的控制模块;
所述的光电二极管接收所述的第一光信号输出的电信号接线性跨阻放大器输入端,所述的电压计测量线性跨阻放大器的输出电压,接所述的控制模块;
在所述的控制模块中实现以下计算:
式中:是线性跨阻放大器的跨阻,是光电二极管接收光转换的光电流,R是响应度,单位是A/W,OMA是光调制幅度。
本系统中,利用测量OMA值和平均光功率计算消光比并测量误码率,可以代替眼图仪。
本发明的优选方式中,误测试单元包括码型产生单元、标准接收管测试单元、误码检测单元;所述的码型产生单元产生伪随机码接所述的被测高速光模块的发射信号输入端,所述的被测高速光模块的光发射端接所述的标准接收管测试单元的输入端,所述的标准接收管测试单元生成的接收信号接所述的误码检测单元。
上述的高速光模块检测系统,所述的标准接收管测试单元接收的信号是通过所述的可调光衰减器稳定后的被测高速光模块的光信号。
进一步的,上述的高速光模块检测系统中:还包括一个第一分光路器,所述的第一分光路器的输入端接所述的可调光衰减器的输出端,所述的第一分光路器的第一输出口接所述的标准接收管测试单元接收端,所述的第一分光路器的第二输出口接所述的消光比测试单元。
进一步的,上述的高速光模块检测系统中:在所述的消光比测试单元中,还包括一个第二分光路器,所述的第二分光路器的输入端接所述的第一分光路器的第二输出口,所述的第二分光路器的第一输出口接所述的光电二极管;所述的二分光路器的第二输出口接所述的光功率计。
进一步的,上述的高速光模块检测系统中:还包括实现所述的光电二极管、线性跨阻放大器恒温工作的恒温系统,所述的恒温系统包括测量所述的光电二极管、线性跨阻放大器的工作温度的热敏电阻和半导体制冷器,所述的热敏电阻测量工作温度所产生的电压信号输入到所述的控制模块,所述的控制模块产生控制信号控制所述的半导体制冷器的工作。
进一步的,上述的高速光模块检测系统中:还包括显示装置,所述的显示装置与所述的控制模块相连。
下面结合具体实施例对本发明作较为详细的描述。
附图说明
图1为本发明实施例1检测流程图。
图2为本发明实施例1消光比测试模块结构原理图。
图3为相同的平均功率不同的消光比情况下的光调制幅度。
图4为本发明实施例1中线性跨阻放大器效果图。
图5为本发明光功率检测单元原理图。
图6为本发明可调光衰减器结构原理图。
图7为误码率与信噪比关系图。
具体实施方式
实施例1, 如图1所示,本实施例是一种测量高速光模块如10G光模块信号的消光比和误码率的方法和实现该方法的系统。
对于10G光模块的生产来说,眼图仪的作用是测试光模块的消光比和眼图的质量,本实施例提供了一种测试消光比和眼图质量的方法,用于产线大批量光模块的生产调试。
上图的各功能电路作用如下:
1、码型产生单元:用来产生伪随机码并输出,可以使用专门的仪器设备,也可以使用专门的芯片,我们选择的是Siliconlab的Si5040芯片,可以产生10G速率的PRBS码型,我们通过MCU控制Si5040,产生我们需要的码型和速率,并且通过串口或者USB接口和PC连接。
2、误码检测单元,用来检测输入的电信号,并计算误码的数量和误码率,和码型产生单元是合在一起的,使用同一款芯片,通过串口或者USB接口好PC连接。
3、标准管接收单元,是一个灵敏度稳定的标准接收模块,收到光信号以后会转换为电信号输入到误码检测单元,对于一个固定大小和消光比的输入光,标准接收单元模块在误码检测单元检测到的误码率是固定的,后面有详细说明。
4、消光比测试单元,用来测试待测模块的消光比,具体框图见图2。内部的MCU通过串口或者USB接口和PC连接。消光比测试的工作原理:
 
上面是指光平均功率,是指激光功率在逻辑“1”的平均功率,是指激光功率在逻辑“0”的平均功率,ER是消光比,是光调制幅度。
所以我们计算消光比的时候,不需要直接测量,只要测量出和OMA,一样可以计算出消光比。
图2中的PIN光电二极管接收光信号,然后通过线性跨阻放大器TIA对微弱光电流信号进行放大并转换为高频电压信号,测试TIA输出的的交流信号,公式为:
是线性跨阻放大器TIA的跨阻,是光电二极管接收光转换的光电流,单位是安培,R是响应度,单位是A/W,是光调制幅度。
图3可以看出相同的平均光功率,在不同的消光比情况下的
图4是线性跨阻放大器TIA的输出特性,可以看出对于不同的的输入光信号,TIA的输出电信号幅度,射频信号检测单元可以检测TIA输出的电信号幅度,这样我们根据射频检测单元检测到的TIA输出Vo,可以计算出输入PIN管的
通过可调光衰减器保证输入到PIN管的平均光功率恒定不变,所以是恒定不变的。
这样就可以根据公式计算出光模块的消光比。
由于TIA的放大倍数随着温度的变化或变大或减小,所以同样的光信号进入PIN光电二极管后,TIA的输出信号幅度会不相同,我们使用TEC制冷器对PIN光电二极管和线性TIA进行制冷,保证线性TIA工作温度恒定。
TEC制冷器通过电流的方向控制加热或者制冷,我们在我们在PIN光电二极管和线性TIA附近放置热敏电阻,通过采集热敏电阻和固定电阻的分压来检测热敏电阻的大小,这里使用负温度系数的热敏电阻,当检测的电压降低的时候,说明热敏电阻减小了,温度过高,MCU就会驱动TEC的电流控制电路使电流正方向流动使TEC制冷,当检测的电压升高的时候,说明热敏电阻增大了,温度过低,MCU就会驱动TEC的电流控制电路使电流方向反方向流动使TEC加热。这样形成一个闭环的控制电路,保证热敏电阻附近的工作温度恒定不变。
5、光功率检测单元,用来测试待测模块的平均光功率,具体框图见图5,内部有大光敏面PD,对数放大器以及MCU。PD接收到光信号会转换为电流信号,电流信号输入到对数放大器,转换为电压信号输出到MCU的ADC,通过对数放大器的输出电压可以计算出PD的接收光功率大小。该功能电路的MCU通过串口或者USB和PC连接。
6、可调光衰减器VOA,用来对输入光进行衰减,从而控制输出光的大小。该衰减器通过电压控制衰减量的大小,控制电压升高,衰减减小,输出光增大,控制电压降低,衰减增大,输出光减小。
7、光衰减控制单元,用来产生可调光衰减器的控制电压,框图见图6,DAC的输出用来产生需要的参考电压,PIN+线性TIA会根据接收光的大小产生相应强度的电压信号RSSI,当RSSI小于/大于参考电压时,运放对的输出电压升高/降低,光衰减器的衰减减小/增大,输出光增大/减小,从而RSSI增大/减小,最终达到RSSI电压和参考电压相同,保证光衰减器输出光功率恒定。
8、测试治具,用来承载被测光模块,并且将光模块的信号接口以及控制接口引出。
如图1所示的为本系统的框图,其工作流程,如下:
1、10G的码型产生单元发出指定的伪随机码型,我们一般设置为PRBS31码型,该信号通过测试治具加载到被测高速光模块的发射信号输入端。
2、被测光模块发出的光信号经过一个程控可调的光衰减器,进入第一光分路器1。
3、第一光分路器1有两个光输出口,输出的两路光信号中,一路光信号11经过固定长度的光纤进入标准接收管接收单元,标准接收管的电信号输入到误码检测单元。另外一路光信号12输入到第二光分路器2。
4、第二光分路器2也有两个输出口,输出的两路光信号中,一路光信号21进入消光比测试单元,另外一路光信号22进入光功率检测单元。
上面第一光分路器和第二光分路器可以选择两个输出口平均输入的光能量,也可以按照要求按份分配。
5、其中光功率检测单元接收到光22以后,会反馈给光衰减控制单元,光衰减控制单元产生电压信号控制光衰减器的衰减量,保证光信号22的光功率值保持恒定。这里用到控制模块,利用一个控制模块进行控制光衰减器的衰减量和恒温控制等。
6、光纤需要根据产品的实际应用选择长度,比如对于LTE应用需要1.4km,对于传输40km的光模块需要40km的光纤。
7、标准接收管接收到的光功率设置要小于灵敏度,由于光信号P22是恒定的,那么光分路器输出的其他几路光的功率也是保持恒定不变。通过选择分路器的分路比和设置P22的锁定大小可以控制标准管的接收光功率。在这里设置输入标准接收模块的光功率为-22dBm,保证正常情况下的误码率BER在10-5左右。
标准接收器的作用:对于射频检测电路来说,只能检测到信号的幅度值,但是光眼图的质量没有办法保证,这里加上一个标准接收器件,用来接收被测光模块的发射光信号。
对于正常的眼图,经过光衰减器和光纤的衰减,由于入光是恒定不变的,标准接收器的误码率只和消光比有关,正常产品消光比和灵敏度的关系式为:
Sensitivity 是灵敏度,当Sensitivity满足一定误码率下的最小接收光功率,S/N :SNR信噪比要求,对应不同的误码率有不同的信噪比指标,如图7所示示,在误码率BER =10-12 的时候SNR为14.1。
IN = Input Referred Noise in RMS
ER :光源消光比
ρ :响应度
首先我们使用正常眼图的光模块,输入到消光比测试装置里面,我们会得到一组数值: ER1,标准接收管对应的误码率BERgold1,
根据误码率的数据和图7,计算出S/N1。
根据灵敏度的公式,将数据带入:
可以求出正常的,将这个值作为常数使用。
对于有问题的眼图,比如畸形、有散点等,标准接收管的输入噪声就会增加,标准接收管的误码率也会发生变化,比如正常的光眼图在消光比ER=10的时候,测试出的BER=10-5,但是对于异常眼图消光比ER=10,但是测试出的BER=10-4,可以推断出噪声增加,被测光模块的眼图异常。
这样通过误码率的变化,我们就可以判断被测光模块眼图的质量,而且该方式经过光纤了传输,对于眼图,更接近实际使用的环境,保证了经过测试的产品都能满足使用的要求。 

Claims (10)

1.一种高速光模块的测试方法,该方法对高速光模块输出光信号进行测试,包括以下步骤:
步骤1、高速光模块发送调制有由码型产生单元产生的数码的光信号;
步骤2、对光信号进行控制使光信号的光功率恒定不变;
步骤3、利用光电二极管接收光信号,测量光电二极管接收到的光信号的光功率                                                
步骤4、将光电二极管输出的电信号经过线性跨阻放大器输出,测量线性跨阻放大器的输出电压,并利用下列公式计算光调制幅度OMA:
式中:是线性跨阻放大器的跨阻,是光电二极管接收光转换的光电流,R是响应度,单位是A/W;
步骤5、按下列公式计算高速光模块输出光信号的消光比ER:
步骤6、利用标准接收管接收光信号产生电信号;
步骤7、对电信号进行解调成为数码,并将该数码与码型产生单元产生的数码进行比对,计算出误码率SNR。
2.根据权利要求1所述的一种高速光模块的测试方法,其特征在于:光电二极管和线性跨阻放大器在恒温下工作。
3.根据权利要求1所述的一种高速光模块的测试方法,其特征在于:码型产生单元产生伪随机码。
4.一种高速光模块检测系统,包括用来承载被测高速光模块,并且将所述的被测高速光模块的信号接口以及控制接口引出的测试治具;其特征在于:包括误测试单元和消光比测试单元;
所述的误测试单元的输出端与被测高速光模块的发射信号输入端相连,所述的误测试单元的输入端接收所述的被测高速光模块的输出光信号;
所述的消光比测试单元包括可调光衰减器、光电二极管、线性跨阻放大器、光功率计、电压计和控制模块;
所述的可调光衰减器的输入端与所述的被测高速光模块输出的光信号相连,在所述的控制器控制下输出恒定的第一光信号;所述的光功率计测量第一光信号的功率,所述的光功率计的输出接所述的控制模块;
所述的光电二极管接收所述的第一光信号输出的电信号接线性跨阻放大器输入端,所述的电压计测量线性跨阻放大器的输出电压,接所述的控制模块;
在所述的控制模块中实现以下计算:
式中:是线性跨阻放大器的跨阻,是光电二极管接收光转换的光电流,R是响应度,单位是A/W,OMA是光调制幅度。
5.根据权利要求4所述的高速光模块检测系统,其特征在于:所述的误测试单元包括码型产生单元、标准接收管测试单元、误码检测单元;
所述的码型产生单元产生伪随机码接所述的被测高速光模块的发射信号输入端,所述的被测高速光模块的光发射端接所述的标准接收管测试单元的输入端,所述的标准接收管测试单元生成的接收信号接所述的误码检测单元。
6.根据权利要求5所述的高速光模块检测系统,其特征在于:所述的标准接收管测试单元接收的信号是通过所述的可调光衰减器稳定后的被测高速光模块的光信号。
7.根据权利要求6所述的高速光模块检测系统,其特征在于:还包括一个第一分光路器,所述的第一分光路器的输入端接所述的可调光衰减器的输出端,所述的第一分光路器的第一输出口接所述的标准接收管测试单元接收端,所述的第一分光路器的第二输出口接所述的消光比测试单元。
8.根据权利要求7所述的高速光模块检测系统,其特征在于:在所述的消光比测试单元中,还包括一个第二分光路器,所述的第二分光路器的输入端接所述的第一分光路器的第二输出口,所述的第二分光路器的第一输出口接所述的光电二极管;所述的二分光路器的第二输出口接所述的光功率计。
9.根据权利要求4所述的高速光模块检测系统,其特征在于:还包括实现所述的光电二极管、线性跨阻放大器恒温工作的恒温系统,所述的恒温系统包括测量所述的光电二极管、线性跨阻放大器的工作温度的热敏电阻和半导体制冷器,所述的热敏电阻测量工作温度所产生的电压信号输入到所述的控制模块,所述的控制模块产生控制信号控制所述的半导体制冷器的工作。
10.根据权利要求4至9中 任一所述的高速光模块检测系统,其特征在于:还包括显示装置,所述的显示装置与所述的控制模块相连。
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