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收发器特性对OM-4链路性能的影响至关重要
作者: 发布时间:2010-03-17 05:55:35 来源:《《光波通信》2010年2/3月

作者:Gerard Kuyt、Pieter Matthijsse、Denis Molin,Draka Communication;Christoph Caspar、Ronald Freund,Heinrich-Hertz-Institut

随着OM-4光纤逐渐进入市场,评估其在不同应用环境中的性能就显得非常必要。本文设计了一系列实验,以检验OM-4光纤与10个不同10GBase-SR收发器配合时的性能。

OM-4多模光纤(MMF)在10Gb以太网(10GbE)系统中应用的研究正在如火如荼地展开,其传输距离达到了550米。如果要使用比较多的连接器,则可以通过减少距离的方式增加功率冗余。

50/125μm MMF的容量不断增长,与此同时短距离单模光纤(SMF)系统在本地网络中大行其道,因此对MMF光纤限制因素的研究就显得非常必要。最近的研究结果表明,在单光纤/单波长OM-3建立的链路中,能够实现在850nm窗口比特率/距离比达到60Gbps/km。而目前10GBase-SR系统的比特率/距离比仅为0.3Gbps/km,因此其发展潜力非常巨大。如果在OM-3、OM-4或其它新型“宽窗口”MMF中部署WDM技术,则会极大地提高这一限制。为适应光纤的发展,光源、探测器、调制方式和复用/解复用设备都必须做出相应的改进。

本文采用最大传输距离为300米的高性价比收发器,在距离为550米的OM-4 MMF链路上测试了10GBase-SR收发系统的性能。测试系统基于10GBase-SR标准,采用550米的OM-4链路。实验中分别测试了300、550和750米的传输距离,而收发器则是从一组(10个)10GBase-SR收发器中分别选择。

测试系统的搭建GER光波通信
测试系统的设置原理非常简单(见图1)。主要的构成部件包括发射器、光纤链路、可调光衰减器(VOA)、接收器和误码测试仪。光纤链路,或称为被测光纤(FUT)的两端通过LC连接器分别与一个2米的跳线和VOA连接。然后VOA的输出再通过两端安装LC连接器的另一根2米跳线连接到接收器上。

GER光波通信
图1:图中显示了测试系统的主要构成,以测试收发器特性对10GbE链路的影响。

调节VOA的损耗可以改变误码率(BER)。使用独立的光功率计可以测量注入接收器的平均光功率,从而达到监控VOA设置的目的。然后分别在有FUT和没有FUT(收发背靠背)的情况下测量,就可以确定光纤对系统性能的影响程度。最后,对背靠背和有FUT的测试结果求差就得到了光纤链路的功率损耗。

尽管测试系统的基本结构很常见,但还是有些细节问题需要考虑。譬如,实验应采用商业量产的收发器,以获得与实际应用相符的结果。另外需要设计特殊的发射/接收器对,或在两个不同的测试板上采用两种不同的收发器,以取代单独的回路收发结构。测试板必须仔细设置其电特性,以保证收发器在非交换环境下能够正常工作。另外还要提供重要参数的额外监控信号,比如激光器热沉温度。

由于一系列光电器件紧密相连,其频繁开关会引起光电串扰,因此也对其进行了考察。通过一根可调延迟线产生的初始测试脉冲可以测量电串扰。而光串扰则通过另一根光纤进行测试(如图1)。实验中选择了不同的测试脉冲序列,从短伪随机二进制序列(PRBS)27-1(脉冲组合的数量相对较少)到长PRBS序列231-1。其中长序列出现连续“1”位的可能性较高,因此可能导致垂直腔面发射激光器(VCSEL)过热,这就会对缺少散热单元的低成本收发器产生特殊的影响。

在整个实验中我们发现,改变以上提到的参数会直接影响测试结果。例如,输入电串扰(XT)信号的相位对电串扰影响很大。此时即使MMF的长度远大于550米,误码率(BER)和接收灵敏度还是会受到影响,而光串扰对结果的影响微乎其微。因此要想保证测试的可靠性,就必须避免电串扰。否则,在这种测试环境下得到的系统性能就可能与实际偏离。

每种参数的设置都会对误码率产生影响,但一定的系统性能变化却无法仅仅归因于某个独立的参数。尽管如此,测试结果仍然显示,收发器的选择仍然是影响性能的最主要因素。

收发器特性GER光波通信
为了考察商业量产收发器的普遍特性,我们从3家不同的供应商处订购了10只不同的收发器。其中提供4只收发器的供应商保证其光单元来自于3家不同的组件商。

测试发现,收发器参数的改变会对误码率产生显著影响,尤其是“环通量”(EF)参数,后文将对其展开详细描述。首先,由于10GBase-SR收发器无法为VCSEL提供稳定的工作温度,因此我们通过一个变化范围从10到50度的恒温箱测试了温度稳定性能。

在背靠背系统中,测量到的接收端输入功率是收发器温度的函数。其中四只收发器的温度升高时,测得的功率都有了显著的增加。同时,还在不同温度下测量了背靠背系统的误码率和激光光谱。在功率变化最大时,误码率改变了30倍,而激光光谱也产生了频移,程度约为0.07nm/K。一旦光纤链路比较长时,这种特性会因为材料色散而严重影响传输质量。

噪声是影响传输性能的另一个重要因素。为了说明这个问题,我们采用Agilent 81495A接收机测量了每种收发器在背靠背系统中的眼图,不同温度下各种收发器间的差异都比较小。其中最差的情况,信噪比从10.2dB降到了8.2dB。

发射器环通量GER光波通信
在MMF传输系统中,光功率的模式分布对系统性能的影响最大。在光纤测试系统中,这种分布可以通过特殊的模式确定设备加以控制,比如滤波器和加扰器。但这种控制“环通量”的方法在10GBase-SR收发系统中是无法得到应用的。“环通量”的定义是某一环内的光功率,它是光纤半径的函数,在连接收发器的光纤的近场测量。实验中采用的光纤是与实际光纤链路中一样的50/125μm多模光纤。

EF通常由一根曲线中的两个参数来标识,例如,一是有多少百分比功率在距纤芯半径为4.5μm的范围内(η4.5μm),二是在多大纤芯半径内包含了86%的光功率(R86%)。我们采用Arden MPX-1方法测量收发器的EF,然后对500个测量值进行平均得到最终值。在测量过程中会晃动光纤,以降低近场散班的影响。图2显示了所有被测收发器的EF值。

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图2:图中显示了10个被测收发器的EF分布,其中被测收发器的EF分布为测量值,激光器的EF分布为参考值。

在10GBase-SR系统中,EF与多种因素有关。首先,标准10GBase-SR收发器必须满足所需的要求,例如纤芯处的近场功率不能过于集中,也不能太过靠近纤芯的边缘。其次,使用不同的光纤时,收发器的具体EF分布会显著影响系统的误码率性能。第三,光纤的最小有效模式带宽(EMBc)会对EF产生间接而明显的影响,它是OM-3和OM-4光纤的主要选择标准。

通过测量特定光纤的差分模式延迟(DMD)曲线,并与10组权重因子一同计算,可以得到最小有效模式带宽。每一组权重因子都与VCSEL进入MMF的特定模式分布有关。

EMBc由激光器的最差工作情况决定,代表了最小的模式带宽。为了优化光纤,确定“最差激光器”和它对传输性能的影响都非常必要。

测试中使用的10个激光器代表了目前市面上可以买到的激光器。我们采用10组权重因子分别计算了光纤的总功率分布,从而得到了这些激光器的EF分布相对值,并作为参考,如图2所示。可以看到,没有一个EF测量值与#1激光器的EMBc相近。而#6激光器的EMBc具备接近“满注入”的模式功率分布,也没有与任何一个实验用激光器相近。不过,在计算得到的OM-4光纤的EMBc值中,这两个激光器并未超过极限范围。

以上测试的目的是从FUT的DMD曲线中获得反映光纤性能的信息并加以利用。这根曲线可以被看作光纤性能的“指纹”,是性能优化的首要切入点。根据定义,该曲线与整个纤芯半径内的传输模式都有关系,于是改变模式功率分布自然会影响到BER,因此改变EF分布会直接影响系统性能。

调整注入光纤是一种有效的方法(如图3)。将一根其它光纤放到收发器和原有注入光纤之间并与收发器耦合。这根“其它光纤”可以采用多种可用光纤,而总的传输效果与所用收发器的EF分布有关。发射器产生的模式很多,其光能量首先耦合到准单模光纤中时,会筛选模式并产生模式训练注入,最终导致耦合损耗非常高而无法测试误码率。不过在测试另外三种收发器时,这种光纤的插损却在可以接受的范围内。

GER光波通信
图3:一根光纤一端与发射器耦合,另一端与原注入光纤连接。

另一个需要研究的问题是,改变EF会对其它收发器参数造成何种影响。在收发器参数的劣化和获得所需EF分布之间我们不得不做出权衡。由于存在噪声平均效应,由预先选择的特定激光器模式得到的EF改变会提高模式分配噪声,甚至还会影响激光器的光谱。因此在评判测试结果时,必须同时考虑两者对系统性能的影响。

测试结论GER光波通信
图4比较了采用相同接收器时,两个不同发射器与不同OM-4光纤搭配时的实验结果。尽管不同发射器与光纤都会对系统性能产生影响,但总的结果仍然能够满足10GBase-SR的指标要求(BER=10-12时,Prec<-9.9)。

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图4:配置两个不同收发器Tx1和Tx7,采用两根不同OM-4光纤A和B时(长度分别为300米、550米和750米)的测试结果。图中同时标出了收发背靠背的测试结果。

本文的所有实验,其目的都是建立一个与实际应用尽可能相近的OM-4光纤传输环境。通过改变不同参数和配置方法,包括串扰、发射器/接收器的不同组合、收发器个体的细微差异对整体性能的影响等,我们发现采用相对简单的测试设置还无法完整地说明问题。而其中收发器的特性似乎对链路性能的影响最为严重。

采用具有不同EF分布的收发器,会对特定光纤的传输性能造成较大影响——这与仅使用单个收发器的实验结论不同。本文还尝试为测试光纤DMD分布畸变造成的影响提供一种行之有效的工具。

通过测试配置不同光纤长度和多种收发器的系统误码率,我们认为目前为OM-4光纤设计的标准可以用到长度达到550米的链路上。这一结论可能会在未来的标准研究中派上用场。

  
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