CN204046608U - 一种高精度消光比测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了高精度消光比测试系统，包括可调光衰减器、光分路器、可调光衰减反馈控制单元、光信号调制幅度测试单元、微控制器和非易失性存储器；可调光衰减反馈控制单元包括大光敏面光电二极管和反馈控制电路；光信号调制幅度测试单元包括高速光信号探测器、网络滤波器、RF信号检波器和高速采样电路；该系统采用可调光衰减器，在进行消光比测量前将被测光信号衰减到探测器最佳接收信噪比范围内，光信号调制幅度测试电路所用元器件温度特性稳定，大大扩展了可测试光信号的动态范围并提高了测试精度、重复测试一致性和测试装置工作稳定性。

Description

一种高精度消光比测试系统

技术领域

本实用新型涉及光通信领域，具体涉及一种高精度消光比测试系统。

背景技术

在光通信领域，光信号消光比是一项重要技术指标，尤其在光模块、光器件的研发测试、生产制造环节，光发射机输出光信号消光比是一项必须测试的重要参数；图1提供了一种目前光模块消光比测试普遍采用的系统连接图；根据消光比计算公式：                                                可知，如需测试出光信号消光比，则必须测出调制信号为“0”时的平均光功率“P0”及调制信号为“1”时的平均光功率“P1”。

随着光纤通信网络传输技术的提高，光信号普遍提高到1Gbps~10Gbps，甚至100Gbps速率范围，在如此高速率及各种不同的信号调制方式、数据码型条件下，精确检测出调制信号分别为“0”和“1”时的平均光功率，存在相当多的技术瓶颈，对测试装置的信号采样速率、设备稳定性、重复测试一致性都提出了较高要求。

目前能研发和生产高速光信号消光比设备的厂家仅限于世界范围内极少数行业领先的通信测试设备厂商，类似设备如安捷伦86100系列宽带示波器，泰克DSA8300系列数字采样示波器等，此类设备不仅均价格昂贵，复杂度极高，体积庞大，且大都只能测试特定信号速率下的消光比值，如需测试不同速率光信号消光比，必须更换核心的测试模组，操作维护非常不便。

另外，现有技术中公开了一种低成本消光比测量系统，如图2所示，包括被测光模块U1、光分路器U2、光功率测试单元U3、消光比测试单元U4和MCU单元U5；光功率测试单元U3进一步包括光电转换器U31；消光比测试单元U4进一步包括PIN型光电二极管U41、跨阻放大器U42和信号检测器U43。

光分路器U2将被测光模块U1输出光信号按一定比例分配，光电转换器U31将输出的一定比例光信号转换为电信号IPD，MCU单元U5接收到光电转换器U31输出电信号后，配合光电转换器U31响应度数值R响应度，以及光分路器分光比N，计算得出被测光模块U1的平均光功率。

PIN型光电二极管U41将分光器输出的另一路比例光信号转换为电信号，并进一步通过跨阻放大器U42将该电信号转换为差分电压信号，信号检测器U43检测出光模块输出信号为“1”时的平均电压值与输出信号为“0”时的平均电压值之差，MCU单元U5再利用跨阻放大器U42跨导值计算出光模块输出信号为“1”时的平均光功率与输出信号为“0”时的平均光功率差值P1-P0；由于光功率测试单元已测算出光模块平均光功率PAVG，且，故可计算出P0，P1具体值，再配合消光比计算公式，则可最终计算出被测光模块消光比值。

该消光比测试系统仍采用直接测量光信号分别为“1”和“0”时的平均光功率后再计算消光比的方式，尽管具有理论上的可能性，但实际应用中，由于PIN型光电二极管响应度、跨阻放大器跨导值均受环境温度影响波动较大，导致测试精度、工作稳定性极差，同时信号检测器受限于器件带宽限制，只能工作在特定速率下，无法实现较宽速率范围内高速光信号消光比测量；另外，受限于跨阻放大器线性工作区限制，当输入信号超过其饱和工作点后，输出信号失真会造成完全无法测量出被测光模块的消光比真实值。

实用新型内容

针对于现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种高精度消光比测试系统，其能够有效解决上述至少一种问题，实现了在较宽的信号速率范围内对光信号消光比进行精确测试，并且稳定性好。

根据本发明的一个方面，提供一种高精度消光比测试系统，包括：

可调光衰减器，用于对输入的光信号进行衰减到使其输出光功率处于光信号调制幅度测试单元最佳工作信噪比范围内；

光分路器，用于将可调光衰减器输出的光信号按照一定的比例进行分配，并分别输出至可调光衰减反馈控制单元和光信号调制幅度测试单元；

可调光衰减反馈控制单元，用于接收所述光分路器输出的部分光信号，并根据部分光信号控制光衰减器的输出光功率处于光信号调制幅度测试单元最佳工作信噪比范围内；

至少一个光信号调制幅度测试单元，用于接收光分路器输出的另外一部分光信号，并将另外一部分光信号进行测试，得到光信号调制幅度值；

非易失性存储器，用于存储对不同消光比条件下的光信号进行测试得到的光信号调制幅度值分段线性拟合得到的消光比校准表；以及

微控制器，用于根据所述光信号调制幅度值，查找预先生成的消光比校准表，计算得到消光比值。

进一步地，可调光衰减反馈控制单元包括：

光电二极管，用于接收光分路器分配的部分光信号，并将部分光信号转换为电流信号；

反馈控制电路，用于接收电流信号，并将电流信号转换为电压控制信号，再输出至可调光衰减器控制其输出光功率处于光信号调制幅度测试单元最佳工作信噪比范围内。

进一步地，光电二极管为大光敏面光电二极管。

进一步地，光信号调制幅度测试单元包括：

高速光信号探测器，用于接收光分路器分配的另外一部分光信号，并将另外一部分光信号转换为射频电压信号；

网络滤波器，用于接收射频电压信号，并对射频电压信号进行滤波；

射频信号检波器，用于接收滤波后的射频电压信号，并探测所述滤波后的射频电压信号峰峰值，根据所述射频电压信号峰峰值换算得到低频电压信号；

高速采样电路，用于采样所述电压信号，输出光信号调制幅度值。

本发明的高精度消光比测试系统及方法的工作原理为：根据消光比与光信号调制幅度测试单元调制后光信号峰峰值之间的对应公式：可知，当被测光信号平均光功率为定值时，被测信号消光比与光信号调制幅度值间存在简单的单调性对应关系，上述公式中为被测光信号调制幅度值，据此原理，如采用可调光衰减器将被测光信号衰减到固定光功率值，并将不同消光比条件下对应的光调制幅度值分段线性拟合数据存储在消光比校准表中，则通过检测光信号调制幅度值后，再根据光信号调制幅度值，通过校准表计算的方式，即可精确测量出被测光信号消光比值。

本发明提供的高精度消光比测试系统采用基于高速射频信号峰峰值检测的方法，将被测光信号消光比值转换为低频电压信号，实现了在较宽的信号速率范围内、多种信号码型和调制格式条件下进行高速光信号消光比值高精度测量的目的，避免了直接对调制信号为“0”时的平均光功率“P0”及调制信号为“1”时的平均光功率“P1”进行测量以计算消光比值所带来的弊端；同时该系统采用可调光衰减器，在进行消光比测量前将被测光信号衰减到探测器最佳接收信噪比范围内，光信号调制幅度测试电路所用元器件温度特性稳定，大大扩展了可测试光信号的动态范围并提高了测试精度、重复测试一致性和测试装置工作稳定性。

本发明的高精度消光比测试系统完全解决了现有消光比测试系统的弊端，经过实际测试和验证，其测试精度、工作稳定性均满足光通信领域尤其是光模块研发、生产制作过程中的消光比测试需求。

另外，由于基于完全不同的工作原理，本发明的消光比测试系统设备体积小、重量轻、成本低、测试精度和稳定性高。

附图说明

图1为现有技术中光模块消光比测试所采用的装置的结构框图。

图2为现有技术所公开的低成本消光比测试系统的原理框图。

图3为本发明的高精度消光比测试系统的一个实施例的示意性框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图3，图3为本发明的高精度消光比测试系统的一个实施例的示意性框图。

该测试系统包括可调光衰减器U1、光分路器U2、可调光衰减反馈控制单元U3、光信号调制幅度测试单元U4、微控制器U5和非易失性存储器U6；可调光衰减反馈控制单元U3其进一步包含大光敏面光电二极管U31和反馈控制电路U32；光信号调制幅度测试单元U4进一步包含高速光信号探测器U41、网络滤波器U42、RF信号检波器U43和高速采样电路U44；其中，

被测光信号经可调光衰减器U1衰减后输出到光分路器U2；

光分路器U2将输入光信号按M:N比例分配后，一路输出到大光敏面光电二极管U31，另一路输出到高速光信号探测器U41；

大光敏面光电二极管U31将光分路器U2中的一路输出信号转换为随光功率变化的电流信号，并输出到反馈控制电路U32；

反馈控制电路U32将接收到的电流信号转换为随光功率变化的电压控制信号，并将该电压控制信号输出到可调光衰减器U1控制端，确保可调光衰减器U1输出光功率稳定并始终处于光信号调制幅度测试单元U4最佳工作信噪比范围内；

高速光信号探测器U41将另一路光分路器U2的输出信号转换为输出信号幅度随消光比变化的RF电压信号并输出到网络滤波器U42；

网络滤波器U42将高速光信号探测器U41输出的RF电压信号进行滤波以匹配较宽速率范围内的被测高速信号，并将滤波后的RF电压信号输出到RF信号检波器U43；

RF信号检波器U43探测经过滤波后的RF电压信号峰峰值，并输出随该信号峰峰值变化的低频电压信号到高速采样电路U44； 

高速采样电路U44将采样到的光信号调制幅度值输出到微控制器U5；

微控制器U5根据被测光信号光调制幅度值，查找事先存储在非易失性存储器内部的消光比校准表，计算出被测信号的消光比值；

非易失性存储器U6通过数据总线与微控制器U5相连，存储不同消光比条件下对应的光调制幅度值分段线性拟合数据，即消光比校准表。

在本发明的另外一个实施例中，可以包含有两个相同或类似原理的光信号调制幅度测试单元，通过多路消光比测试值取平均或其它处理方式以减小系统测试误差，提高消光比测试精度。

在本发明的另外一些实例中，还可以采用自身具备高速采样电路及非易失性存储器的MCU；

本发明的消光比测试系统的工作过程为：被测光信号经可调衰减器U1衰减后，输出到光分路器U2；光分路器U2将输入的衰减后的光信号按M：N比例进行分配；一路光信号输出到大光敏面光电二极管U31，另外一路输出到高速光信号探测器U41；

大光敏面光电二极管U31将光分路器U2中的一路输出信号转换为随光功率变化的电流信号，并输出到反馈控制电路U32；

反馈控制电路U32将接收到的电流信号转换为随光功率变化的电压控制信号，并将该控制信号输出到可调光衰减器U1控制端，确保可调光衰减器U1输出光功率稳定并始终处于光信号调制幅度测试单元U4最佳接收工作信噪比范围内。

另外一路光信号输出到高速光信号探测器U41，高速光信号探测器U41将其转换为输出信号幅度随消光比变化的RF电压信号并输出到网络滤波器U42；

网络滤波器U42将高速光信号探测器U41输出的RF电压信号进行滤波以匹配较宽速率范围内的被测高速信号，并将滤波后的RF电压信号输出到RF信号检波器U43；

RF信号检波器U43探测经过滤波后的RF电压信号峰峰值，并输出随该信号峰峰值变化的低频电压信号到高速采样电路U44；

高速采样电路U44对低频电压信号进行采样得到光信号调制幅度值并输出到微控制器U5。

微控制器U5根据被测光信号调制幅度值，查找事先存储在非易失性存储器U6内部的消光比校准表，计算出被测信号的消光比值。

其中，消光比校准表是对不同消光比条件下的光信号进行测试，得到若干个光信号调制幅度值，分段线性拟合光信号调制幅度值，得到，具体算法包括：

该校准算法基于分段线性校准方式，确保了在所校准范围内良好的消光比测量精度，其中：E_MAX为最大消光比校准点，E_MIN为最小消光比校准点，N为分段校准段数；

将E_MAX~E_MIN等分为N段后，测量光信号消光比分别为E_MIN、E₁、E₂…E_MAX时RF检波器信号输出电压值V_MIN、V₁、V₂…V_MAX，并计算相邻两个校准点之间线性拟合出的斜率SLOPE_N及偏移OFFSET_N，并按序将SLOPE_N、OFFSET_N、V_N存入消光比校准表中。

当实际进行消光比测量时，微控制器U5根据高速采样电路U44采样的RF信号检波器U43的输出电压V_TEST，检索存储在非易失性存储器U6中的消光比校准表，当V_M-1＜V_TEST≤V_M时，可根据线性校准公式：，计算出对应的被测光信号消光比值。

综上所述，本发明的消光比测试系统体积小巧，成本低，使未来手持式消光比测试装置的出现成为可能，并且在高速光模块的研发测试、生产制造过程中具有广阔的技术应用前景。

Claims (4)

1.一种高精度消光比测试系统，其特征是，包括：

可调光衰减器，用于对输入的光信号进行衰减到使其输出光功率处于光信号调制幅度测试单元最佳工作信噪比范围内；

光分路器，用于将所述可调光衰减器输出的光信号按照一定的比例进行分配，并分别输出至可调光衰减反馈控制单元和光信号调制幅度测试单元；

可调光衰减反馈控制单元，用于接收所述光分路器输出的部分光信号，并根据所述部分光信号控制光衰减器的输出光功率处于光信号调制幅度测试单元最佳工作信噪比范围内；

至少一个光信号调制幅度测试单元，用于接收所述光分路器输出的另外一部分光信号，并将所述另外一部分光信号进行测试，得到光信号调制幅度值；

非易失性存储器，用于存储对不同消光比条件下的光信号进行测试得到的光信号调制幅度值分段线性拟合得到的消光比校准表；以及

微控制器，用于根据所述光信号调制幅度值，查找预先生成的消光比校准表，计算得到消光比值。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征是，所述可调光衰减反馈控制单元包括：

光电二极管，用于接收光分路器分配的部分光信号，并将所述部分光信号转换为电流信号；

反馈控制电路，用于接收所述电流信号，并将所述电流信号转换为电压控制信号，再输出至可调光衰减器控制其输出光功率处于光信号调制幅度测试单元最佳工作信噪比范围内。

3.根据权利要求2所述的测试系统，其特征是，所述光电二极管为大光敏面光电二极管。

4.根据权利要求1所述的测试系统，其特征是，所述光信号调制幅度测试单元包括：

高速光信号探测器，用于接收光分路器分配的另外一部分光信号，并将所述另外一部分光信号转换为射频电压信号；

网络滤波器，用于接收所述射频电压信号，并对所述射频电压信号进行滤波；

射频信号检波器，用于接收滤波后的射频电压信号，并探测所述滤波后的射频电压信号峰峰值，根据所述射频电压信号峰峰值换算得到低频电压信号；

高速采样电路，用于采样所述低频电压信号，输出光信号调制幅度值。