實驗 13: 光收發模組之特性量測實驗

張興華教授編撰張興華教授編撰教育部顧問室光通訊系統教育改進計畫教育部顧問室光通訊系統教育改進計畫台科大師大淡江東南萬能台科大師大淡江東南萬能

實驗 13: 光收發模組之特性量測實驗

• 光收發模組介紹• 光收發模組架構說明• 光發射機特性量測實驗 1. Average output power

2. Extinction ratio

3. Eye diagram

• 光接收機特性量測實驗 1. Sensitivity

2. Bit Error Rate


光通訊模組的架構


光收發模組封裝形式

SFF( small form factor)SFP ( small form pluggable)

BI-Directional(BI-DI)


發射端光源

LED LD -- FB (Fabry-Perot ) LD

-- DFB (Distributed Feedback ) LD

-- VCSEL ( Vertical Cavity Surface Emitting Laser)


發光二極體 (LED)

Applied in Data comm. Multimode Fiber (Inexpensive, 780,850,1300 nm)

Total Power about few micro-Watt Spectra Width 30~100 nm Large Noise (Poor coupling into fiber)


Fabry-Perot 雷射二極體 (FP LD)

Multiple longitudinal mode (MLM) spectrum Often Using in 850 or 1310 nm Mode Spacing 0.7~ 2 nm


DFB 雷射二極體 (DFB LD)

Single longitudinal mode (SLM) spectrum For Long Haul & DWDM system Most around in 1550 nm Power up to 3~ 50 mW Spectrum Width 10~100MHz (0.08~0.8 pm)


不同速率應用市場與使用 LD 表

100 Mb/sFast

Ethernet

155 Mb/sOC-3

622 Mb/s

OC-12

1000Mb/s

GbE (1.25Gb/s)

2.5 Gb/sOC-48

10 Gb/s

OC-192

40 Km

300 m

500 m

1 Km

5 Km

10 Km

2 Km

F-P LD 1310nm

80 Km

LED -1310nm

DFB LD 1550nm

F-P LD 1310nm

DFB LD 1550nm

F-P LD 1310nm

VCSEL 850nmVCSEL 850nm

F-P LD

DFB LD

VCSEL

Note: 1310nm F-P LD could be change to VCSEL in Q3/2002 from Honeywell,EMCORE


接收端感測器


發送端電路功能架構示意圖調變電路偏壓電路監視電路輸出入界面電路


接收端電路功能架構示意圖光檢測元件 : 將光訊號轉變為電流訊號前級放大器 : 放大電流訊號並將其轉換為電壓訊號量化電路 : 後極放大、準位偵測、限制放大、輸出入介面


Transceiver Circuit Layout Diagram


虛擬隨機序列(Pseudo-Random Binary Sequence : PRBS)

虛擬隨機信號一般是在量測時用來近似數位傳輸信號的隨機特性。隨機信號是不可預測的，而只能以統計方式來描述。但虛擬隨機信號不完全是隨機性的；其特性可近乎一真實隨機信號

2n - 1


PRBS^23


實驗設備

power supply ( 電源供應器 ) clock source ( 時脈源 ) pattern generator ( 波形產生器 ) error detector ( 誤碼率偵測器 ) sampling scope ( 取樣示波器 ) optical attenuator ( 光衰減器 ) Coaxial Cables *4 條 Fiber *2 條酒精及擦拭紙


發送端光訊號輸出量測架構示意圖

Clock Source

TransceiverModule

Power Supply

Sample Scope

Filter

Optical/ElectricalProbe

Pattern Generator

Clock

+5V and GNDTrigger

inD

inD

Tx


發送端光訊號輸出量測架構圖 ( 一 )

OSAOSA

PPG

ED

Eye Pattern Gen.

E/O

Cou

pler

Cou

pler CHA

OOscilloscopescilloscopeTxTx

DUT

TriggerTrigger


發送端測試項目

Average output power Extinction Ratio Eye Width (ns) Jitter Rise time Fall Time Eye Mask

2

offon PP

Eye Width

Paverage


發送端測試項目

Average output power: 發射端輸出訊號時的平均輸出功率 Average Power =10log( Pon + Poff ) /2(dB) Extinction Ratio: 輸出訊號時在邏輯 1 與邏輯 0 的光功率比值 Extinction Ratio = 10log Pon / Poff (dB) Eye Width : 輸出光訊號再兩個相鄰的上升 , 下降邊緣交會點的時間長度 Jitter: 傳輸資料時，資料的時基差 Jitter = t2-t1. Rise time: 訊號由振幅 10% 上升到 90% 的時間 Fall Time: 訊號由振幅 10% 下降到 90% 的時間 Eye Mask : 在通訊中 , 傳輸的訊號透過 Eye Mask 來檢測其訊號的好壞 . 如果測量的訊號落入 Eye Mask 的區域中 , 這

表示資料會發生錯誤 .


接收端量測架構示意圖

Clock Source

TransceiverModule

Power Supply

Error DetectorPattern Generator

Clock

+5V and GND Trigger

inD

inD

Tx

OpticalAttenuator

Rx

outD


接收端量測架構圖 ( 二 )

RxRx

PPG

ED

BERT

GoldenE/O

Cou

pler

Cou

pler

Optical Att.Optical Att.

O/E

DUTDUT

Data

XData

Data

OS

WO

SW

RF

SW

RF

SW

XDataXData

OscilloscopeOscilloscopeSDSD


當接收端所接收的光訊號與雜訊知之間的 S/N 值 ( 訊噪比 ) 低於某個範圍時 , 此時接收端就無法將所接收的光訊號還原為正確的資料 , 因此資料的傳輸就會發生錯誤 .

Sensitivity 的大小與輸出光雜訊的關係為 Sensitivity =10log (dBm)

其中 NEP=Vnoise / R , R 為 Responsivity Q: BER= , BER=ErrorBits / TotalBits 因此由以上諸式 , 如已知光雜訊的大小及確定系統所要求之

BER 的大小 , 就可計算出接收端的 Sensitivity

接收端測試項目

mW

NEPQ

1

*

mW

NEPQ

1

*

Q

e Q

2

2

Q

e Q

2

2


實驗步驟 (1) 以量測架構 ( 一 ) 之設置，由任意波形產生器輸出

虛擬隨機序列，由示波器觀察眼形圖並求出相關測試項目 Average output power 、 Extinction Ratio 、 Eye Width 、 Jitter 、 Rise time 、 Fall Time

(2) 同項目 (1) ，由示波器觀察眼形圖及 eye mask 並判

定是否通過眼形圖測試。

(3) 以量測架構 ( 二 ) 之設置，由任意波形產生器輸出須虛擬隨機序列，調整不同的光功率衰減值，由誤碼率測試儀量測不同接收端收到的光功率所對應之誤碼率並計算出 Sensitivity 。

實驗 13: 光收發模組之特性量測實驗

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