【光电通信】100/200 Gb/s 数字相干光模块的光信噪比测试

张锡芳，郑优斌

（科锐安通讯技术（上海）有限公司，上海201203）

引言

近年来，随着物联网技术的发展以及5G标准的发布，人们对高带宽的需求越来越强烈，而在2019年6月6日，工信部向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了5G商用牌照。5G网络的铺建，急需100 Gb/s以及200 Gb/s端口的使用，40G市场逐渐向100G/200G迁移。已经成功商业化的模拟相干光模块CFP2-ACO可以实现100/200 Gb/s的线路侧传输，但线卡上要集成DSP芯片实现模拟到数字的信号处理以实现长距离线路侧传输。CFP2-DCO光模块内部集成了DSP芯片，从而使板卡密度得以提高，板卡空间进一步优化。

光 信 噪 比（OSNR）的 定义是在光有效带宽 为0.1 nm内光信号功率和噪声功率的比值，用于定量检测光信号沿光纤传播途中，被光噪声干扰的程度。常用的OSNR测试方法有符合IEC-61280-2-9标准的带外插值法[1]、关断积分法[2]及运用偏振技术测量带内OSNR的偏振归零法。对于实际已经铺建完成的光通信线路的OSNR测试，40G及以上的密集波分复用（DWDM）或可重构光分插复用器（ROADM）系统，因为新的调制方式如正交相移键控（QPSK）、正交振幅调制（如8QAM、16QAM）等的信号光谱展宽会使相邻波长的频谱重叠甚至重合[3]，因此不能采用传统的带外插值法。而关断积分法需要关断待测波长的信号光，会使测得的经掺铒光纤放大器（EDFA）放大的噪声发生变化，从而使测试结果不准确，并且该方法操作复杂。基于偏振技术的带内OSNR测试法的偏振归零法[4]，通过调整偏振控制器可分别测得携带噪声的信号功率和噪声功率的数值，并且后面使用可调光滤波器可以完成信道的选择。然而，该技术的性能会受到偏振模色散（PMD）的去偏振效应和非线性双折射的影响。

以上OSNR的几种测试方法中，关断积分法是针对通信系统已经铺设完成的基础上对线路的实际OSNR值进行测试的方法。带内噪声测试的偏振归零法依赖于链路PMD值的大小，EXFO公司提出的差分光谱响应法和JDSU公司提出的光偏振分束法[5]虽然克服了归零法的缺点，但设备昂贵。对于设备制造商而言，需要在实验室对设备性能进行评估。光谱分析仪（OSA）设备可以提供一个OSNR测试值，但在采样间隔明显超出OSA滤波器的带宽时，每个采样点对应的有效滤波器接近矩形，据此计算出的OSNR值明显分辨率不够，因此不够准确。

本文将CFP2-DCO应用于现有的DWDM系统，通过叠加偏振模色散/色度色散（PMD/CD）干扰参数进行实验测试，对OSA采用最高分辨率扫描获得的光谱进行自动化计算来测得OSNR，可以得到OSNR的准确数值。

1 测试方案

1.1测试方法

本文的OSNR测试方法是采用自动化算法对OS-A的光谱进行积分来计算得到待测波段内的信号光功率和噪声功率值。该方法中，因为每次对待测的CFP2-DCO模块调谐到固定的DWDM波长，所以不存在相邻波长的重叠问题，噪声功率通过带外插值法获得；而信号光功率通过对带内光谱进行积分获得。

另一方面，在使用光放大器（如EDFA，OSA）来补偿光纤衰减的光纤通信系统中，传输容量很大程度上受限于CD。CD是由于光纤所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象。所谓群速度就是光能在光纤中的传输速度。所谓信号畸变，一般指脉冲展宽。色散容限与比特率的平方成反比，为了减小色散的不利影响，可以使用色散补偿光纤（DCF）、光域补偿和电域补偿的方法。进一步制约传输容量的是PMD，PMD是由于光纤制造工艺造成纤芯界面一定程度的椭圆度，或者是由于材料的热胀系数的不均匀性造成光纤截面上各向异性的应力而导致光纤折射率的各向异性，这两者均能造成2个偏振模传播常数的差异，从而产生群时延的不同，形成了偏振模色散[6]。表示一阶PMD参数的差分群时延（DGD）和比特率成反比，因为PMD是一种随机现象，所以对其补偿具有较大难度[7]。本文测试的CFP2-DCO光模块内部具有PMD和CD补偿功能。因PMD及CD的干扰对系统OSNR造成的劣化即为PMD、CD的OSNR代价。本文在OSNR测试的基础上，通过实验测试系统模拟叠加PMD及CD干扰，进一步对PMD和CD的OSNR代价进行了测试。

CFP2-DCO的OSNR测试方法如下：按照图1所示搭建测试系统，待测单板（UUT）的待测光口发送端经过光链路连接到UUT待测光口的接收端，接收机经FEC处理后达到误码率（BER）最大极限值（如1×10-2量级，根据系统需求而定）时，接收端所测得的OSNR值即为CFP2-DCO的待测OSNR值。通过PMD模拟器和CD模拟器叠加干扰，从而进一步测得符合实际系统的PMD及CD的OSNR代价。

1.2测试框图

图1中，装配有CFP2-DCO的UUT被安装到系统中，通过系统主控板的RS232串口及IP端口进行业务类型配置，配置CFP2-DCO为QPSK调制模式。

放大自发辐射（ASE）宽谱光源为系统提供噪声注入，经过带通滤波器对波段进行选择，经过光放大器对噪声进行放大。CFP2-DCO发射信号光从发射端口（TX）经过光开关，通过在常规通路（无PMD/CD模拟干扰）、PMD模拟干扰和CD模拟干扰通路间的切换来模拟不同状态下的传输性能，输出的信号经过合光器与ASE发出的噪声信号光进行耦合并送入分光器，分光器输出的一路光经可调光衰减器（VOA2）调节到合适的光功率送到OSA,另一路经VOA1进入板卡接收端口（RX），CFP2-DCO的发射光功率可以通过光模块的MDIO接口进行配置实现大小调节，从而完成不同干扰下的OSNR测量。

1.3测试步骤

CFP2-DCO插入UUT，UUT及CFP2-DCO正常启动。UUT板卡工作原理如下：发送方向，光传送网（OTN）业务处理器把接收端回环的数据发送到CFP2-DCO的TX端口；接收方向，从CFP2-DCO的RX端口接收到的业务流数据经过OTN业务处理器，配置回环模式。UUT单板控制器通过MDIO端口对CFP2-DCO参数进行配置，并通过寄存器对BER指标进行读取和检测。具体测试步骤如下：

①设发光功率为一个初始值，如1 dBm；将CFP2-DCO配置为待测调制模式；②将光开关切换至无PMD及CD模拟干扰的常规通路；③调节链路上的VOA1使CFP2-DCO的接收光功率在接收范围内；④使能ASE噪声源输出，调节带通滤波器工作在待测波段内，经过光放大器后使噪声源叠加在信号上；⑤经过分光器后一路光经VOA2调节到合适的光功率送到OSA；⑥自动化程序通过调用指令读取UUT板卡线路侧接收端的BER、前向纠错（FEC）纠码数值和FEC未纠码数值。通过自动调节VOA1及调节CFP2-DCO的发射光功率，对输入到CFP2-DCO中的入射信号光功率进行步进调节，最终使CFP2-DCO内的未纠码数值达到DSP的阈值，大约在1×10-2数量级，并测试此时的OSNR值。因为光通道间隔为50 GHz，所以通常采用62.5 GHz的分析带宽（RBW）值以保证可以扫描得到所有的信号光功率，通过对OSA提供的光谱进行自动化程序积分得到待测波段内的信号光功率和噪声功率值，再采用式（1）计算得到OSNR值：

其中，Si为待测波段内的信号功率值，Ni为待测波段内的噪声功率值。通过以上操作可以测得在没有叠加PMD及CD参数干扰的情况下的OSNR值。然后，通过控制光开关分别切换至PMD模拟器和CD模拟器通道端口，可以分别测得CFP2-DCO在叠加了PMD及CD干扰后的光纤通信系统中的OSNR代价，从而得到符合实际光纤通信系统的OSNR值。

2光纤系统的PMD及CD对OSNR代价的测试结果及分析

实际光纤通信系统中，在传输速率超过10 Gb/s时，PMD和CD成为制约传输性能，影响系统OSNR性能的重要因素。为了评估CFP2-DCO的PMD及CD的OSNR代价，本文测试了QPSK调制模式下，在系统要求的PMD及CD干扰叠加的基础上，OSNR的代价值。

测试结果如下：在BER=1.72×10-2时，常规通路下的OSNR测试值为11.6 dB，叠加了30 ps PMD模拟干扰的OSNR劣化代价为0.08 dB；叠加了45 ns/nm CD模拟干扰的OSNR劣化代价为0.32 dB。通过对比CFP2-DCO的数据手册，所测得的PMD及CD的OSNR代价满足小于0.5 dB的要求，因此该CFP2-DCO满足系统应用要求。

为了进一步研究PMD及CD的干扰对OSNR的影响，本文测试了QPSK调制模式下的一阶PMD（即DGD）及CD干扰下的OSNR关系曲线，测试的结果如图2所示。

分别叠加不同数值的一阶PMD和CD，然后自动生成在一定BER下的OSNR关系曲线。图2（a）和2（b）中横坐标为OSNR的数值，纵坐标pre-FEC表示纠错前误码的数值，对应OSNR值的优劣程度。图2（a）中的标识表示分别叠加2 ps、15 ps、30 ps和60 ps的一阶PMD（即DGD）后的OSNR离散值及归一化曲线。图2（b）中的标识表示分别叠加0 ns、21.6 ns和45 ns的CD后的OSNR离散值归一化曲线。从图2可以看出，相对于CD对OSNR的影响来说，一阶PMD对OSNR的影响相对较小。

从图2的关系曲线可以得知，在同样的BER要求下，系统中的PMD及CD的干扰越大，系统对OSNR的要求越高，OSNR的代价越大。因此，尽可能地降低系统的PMD及CD干扰，对于优化系统的OSNR性能指标，提高通信传输质量有很重要的意义。

结束语

本文主要介绍了近年刚商用化的100G/200G线路侧数字相干光模块CFP2-DCO的OSNR性能指标自动化测试方案及测试方法；结合实际光纤通信系统，搭建了可以模拟PMD及CD干扰的自动化测试系统，并测试了不同调制模式下的OSNR值，以及PMD和CD叠加干扰的OSNR代价。本文的测试方法和结果对实际通信系统中CFP2-DCO的应用测试及其它类型的光模块测试有重要的参考意义。

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