高速数字通信系统,象任何通信系统一样,在执行预期任务的时候,接收端要正确地解释被发送的信息。就最终的用户而言，这就是要忠实地复现语音或图像,或能准确地传送财务信息。从工程角度看，性能的定量化通常与实际被发送的信息无关。当通信为数字格式时,情况较为简单,所有发送的“1”应接收为“1”;所有发送的“0”应接收为“0”。数字格式可通过测量误码率(BER)进行定量化,BER定义为错误接收的位数量与接收到的位总量之比。 一个典型的高速光通信系统包括激光发射器,光纤和光探测接收器。每个部件都会对BER产生潜在的影响。因此需要有一种表征各个系统组件性能的方法,以便在整合成完整系统时,减少达不到预期性能的风险。 这类方法在测试SONET/SDH、千兆位以太网和光纤信道收发器时尤为重要。 光发射器由直接调制激光器或输出到外部调制器的固定功率激光器组成。虽然BER测试能描述整个通信系统的总体性能,但很少用来表征高速光发射器的性能。测试发射器的策略是通过沿袭测试输出波形的形状和频谱而发展起来的。具体地说,包括光谱、调制带宽与频谱、眼图模板测试、消光比、以及平均功率测量。 发射器的输出谱对长距离系统或单根光纤内含有多个波长的系统十分有用。色散是不同波长以各自的速度沿光纤传播时形成的,若信号的能量分布在较宽的波长范围内，则会产生脉冲扩展。由于脉冲随时间向外扩展,增加了系统接收器确定所接收的信号电平的难度,从而使BER性能变差。在单根光纤上多路复用几个发射器,而每个发射器使用不同波长的系统称为WDM系统。对这类系统,需精确管理每个发射器的中心波长,同时每个发射器的谱宽应尽可能地小,以减少邻近信道间的干扰。但在另一方面,其频谱要求不象短距离、单信道系统那样苛刻。 测量中心波长与谱宽的基本工具是光谱分析仪(OSA)。该仪器能显示功率对波长的关系。中心波长位于1548.5nm,而最大边模位于1550.09nm,其强度比主模低45dB。当需要同时监测多个发射器时,也能使用OSA。波长计用来观察多个信号且其波长的精确度较高。 高速度发射器的边沿速度要快，因此应具有较宽的调制带宽。该功能可用这样一类仪器来测定,该仪器向发射器提供正弦波电激励，同时测量发射器输出的调制光的幅度与相位。理想响应的输出信号与输入信号比值是恒定的。 发射器的输出功率还具有随机起伏特性,一种称为相对强度噪声的不希望有的噪声机构。由于功率起伏的速率和幅度是随机的,它用幅度对频率的特性来表征。该参数用光波信号分析仪来测定,它基本上是一个带有光接收器前端的电气频谱分析仪。 发射信号的形状对BER有明显的影响。考虑到接收器需在极短的时隙内确定信号的电平。几个参数会降低BER的性能,其中包括抖动、噪声、边沿速度,以及功率电平。抖动反映信号在时序上的不一致性。就接收器而言,数位比正常情况下早到或晚到都会提高出错的概率。噪声具有类似的影响,因为它会改变信号的电平。倘若边沿速度太慢,那末总不能达到最佳信号电平。要是信号因发射器不能输出适当的功率电平而过小,所有这些问题会变得更加严重。 示波器是测定波形的理想工具。它能详细观察信号的合成波形，而不在于考察数据流中各个位的特性。它是用眼图表示的。考虑由3位序列,000、001、…110和111全部组合的8个波形,如果在公共时间轴上画出所有波形就得到一个眼图。实际上,眼图是用增加示波器的余辉来构建的,这样只要它捕获到一个波形,不论是否捕获到新的波形,它总能保留在显示屏上。因此,随着捕获到的位数增加，他们全部相互地叠加在一起。 理想的眼图应是在水平(时间)和垂直(幅度)两个方向上开口最大的信号。眼图开口定量化的最常用方法是模板测试。模板用来确定波形可能不存在的波形区域。请注意,眼图的中心有一个多边形,它实际上规定了最小可接受的水平开口和垂直开口。眼图上面多边形与下面多边形分别指示上过冲与下过冲。 每当测量一个波形时,总要考虑测量系统的带宽。直接调制激光器通常有较大的过冲和振铃。宽带测量系统能显示这种效果,而窄带系统会掩盖此类现象。行业内的一致性测量要求有统一的测量系统。目前采用标准参考接收器,即光电探测器与示波器电通道的结合。接收器与示波器组合具有特定的频率响应,它是由委员会为通信系统制定的标准规定的。在多数场合,参考接收器的频率响应遵循4阶Bessel-Thomson低通滤波器特性，真3dB频率为数据速率的75%。按此推算,测量2.48832 Gbits/s SONET/SDH发射器的参考接收器应具有1.8662 GHz带宽。 这里要强调指出,在降低带宽后,带有明显过冲和振铃的发射器会显示出类似于图2那样简单的波形。因此,原本在宽带测量系统中通不过模板测试的波形能通过标准参考接收器的模板测试。这样的发射器能在完整的通信系统中正常工作吗?要是测试系统参考接收器的带宽与实际系统中的发射器配对的接收器接近的话,那末眼图反映出来的正是系统中接收器端的实际性能。 从眼图能得到几个关键的参数。抖动是通过分析信号在眼图交叉点横向扩展程度测定的。抖动的可接受程度与位率有关,通常应小于位率的1%。边沿速度是通过模板测试间接测定的。如果信号太小，眼图会与模板的多边形相交并使它变形。通常不允许扰乱波形模板。消光比是按眼图中心区逻辑“1”电平与逻辑“0”电平的比值测定的。该测量表示激光器的可使用输出功率转换为调制功率的效率。消光比指标通常在8.2～13dB(6.6～20)范围内,视应用而定。在现代数字通信分析仪中,抖动、模板测试、消光比、以及平均功率都是自动测量的。 一旦发射器的特性已经测定,且已超过最低可接受的性能,能保证整合后的系统有满意的BER吗?或许能。光纤链路存在一定的衰减量和色散。接收器应能接收被光纤严重衰减后的发射信号,且仍能准确地确定每个比特的电平。 光纤接收器通常由图3所示的基本部件组成。在光传输期间,各种物理效应很可能降低接收器的输入信号质量。这些效应涉及路由上的衰减,将信号质量降低至与噪声不可区分的程度;色散效应,使脉冲随时间向外扩展,甚至各个脉冲可能互相重叠。 光接收器的任务是判定原始脉冲究竟是“1”还是“0”。其很重要的任务是发现时间上一致的参考点,即位周期的中心点。该工作是由时钟恢复电路完成的。该电路产生的时钟与接收到的数据有严格的关系, 是判定时序的理想参考。判定电路在相对于新产生时钟信号的固定点拍摄输入信号的瞬时图形。该图形与该瞬时的阈值电压电平进行比较,如果输入信号高于阈值,则将它记作为“1”;若低于阈值则为“0”。电路给出的数据流应是在光纤另一端的光发射器原始数据的忠实复现。 那么,还会发生什么样的错误呢?错误判定的原因是多方面的。例如,电压阈值设置太低,某些“0”电平加上路由上足够的Gaussian噪声后会高于阈值,这些“0”被错误地识别为“1”;类似地,阈值设置太高,某些“1”被错误地记作为“0”。如果判定点设置太早或太迟,同样会产生各种问题。这里的危险在于,电路不在位中心点采样,而是试图在过渡期间或接近过渡处进行判定。 其它一些因素也会影响正确地设置判定电压。要是时钟恢复电路引入的抖动过大,那末判定点在位周期内快速地、不可预测地移动。发射器或接收器电路设计不良造成的影响是不同的,与位序列有关。例如,101010一类图形具有较多高频成分,但图形中全“1”或全“0”的序列含有较多的低频成分。如果电路的高频性能或低频性能较差,这类图形在通过电路后则会产生畸变。这些畸变导致错误的判定,因此称为“图形相关的错误”。 通常用误码率测试仪(BERT)图形发生器、高质量光发射器、可变衰减器和功率计来测试接收器的BER。接收器的输出则反馈至BERT的误码检测器(参见图5)。对一个设计良好的接收器,输入功率处于设计输入范围的中心区通常是不成问题的,这里描叙的测试装置应在无错误条件下进行。 接收器性能的两个主要测量参数是在极低输入功率下的BER性能(“接收器灵敏度”)和高输入功率下的BER性能(“接收器过载”)。接收器灵敏度定义为误码率超过规定量前接收器所能接收的最低光输入功率。例如,可将灵敏度规定为BER是1×10-10时的最小输入功率。BER的测量是在无错误工作区开始的,然后用衰减器来减小输入信号电平,直到发生误码为止。接收器灵敏度的功率电平通常用相对于1mW的分贝数(dBm)给定。例如，对OC-48,接收器灵敏度在BER为1×10-10时是-24dBm。 接收器过载可按类似方法测量，这时应增加接收器的输入功率直至达到规定的BER。同样,对OC-48接收器,过载在BER为1×10-10时可能是1dBm。在这两种场合，还要规定使用的测试图形。例如,对光纤信道及千兆位以太网,数据结构的较好近似是27-1伪随机二进序列(PRBS);而对SONET,对电路的数据结构的要求更高,通常用223-1,甚至231-1PRBS来仿真。 数据在时间上的不稳定性称为抖动。总体说来，发送位周期是不固定的。从数据提取接收器的时钟，有助于确保位是正确地接收的。为了验证时钟恢复电路能跟踪变化的数据率，还须进行抖动传输测量。在此测量中,让数据人为地在一定频率范围内抖动。这时,恢复时钟的抖动应能跟踪输入数据的抖动。最终,恢复时钟跟不上抖动的快速变化。画出恢复时钟抖动与输入数据抖动之比对抖动频率的关系,其形状通常与低通滤波器类似。确定接收器在多大的抖动下仍能保持良好的BER也是十分重要的。测试的方法是,连续地增加抖动幅度直到不能保持预定的BER。测试通常按几个抖动比完成,称之为抖动容限。 在设计光收发器时,一个值得关注的重要参数是串扰。通常,发射器中驱动激光器的电流比接收器中光电二极管的工作电流大几个数量级(或许是10mA与10mA之比)。屏蔽显然是十分重要的,即要良好的接地与电源去耦。串扰常用上面描述的接收器灵敏度测试装置测量。先关闭发射器,测量接收器灵敏度,再让发射器按实际使用方式工作,重新测量灵敏度。倘若有串扰,为了达到相同的BER性能,必须增加接收器的输入功率。两个灵敏度之差值用分贝表示,称为串扰功率补偿。就一个设计良好的收发器来说,功率补偿应忽略不计。对这里讨论的种种设计问题,BERT仪器中的高级误码分析技术是极有价值的工具,可让工程人员迅速找出故障的原因。 BER测试能进一步提速吗?收发器生产商确信能够提速。一个设计良好的收发器具有BER规定在1×10-10时的接收器灵敏度。为了测定此BER下的灵敏度,测试工程人员确定待测器件每接收百亿个数据产生一个误码的输入功率电平。对OC-3,接收百亿个数据要花费一分多钟时间。因此,仔细地调整功率来确定精确的灵敏度是十分费时的。 生产商在实际生产过程中使用的是另一种方法,它在研发阶段让BER处于1×10-7至1×10-12范围内,测定接收器的灵敏度。假定灵敏度与功率之间有确定的关系且器件间是一致的,生产商可降低待测器件的输入功率,即在BER为1×10-7下测量接收器的灵敏度。此场合的测量速度比1×10-10下快得多,如对OC-3,测试时间将小于1秒。测试工程人员认定, 1×10-10测量结果应为1×10-17结果加上某些修正因子。这种近似方法对全面地表征和理解收发器设计是比较安全的。

     （2）随着对网络容量的需求急剧增大，光收发器种类和复杂程度都在以惊人的速度发展。IEEE已经为未来10G以太网标准批准了4种光接口；光网络论坛也为OC-192 VSR标准通过了4种光接口(也许最终会有第5个)；负责光纤网络的美国国家信息技术标准委员会的T11为它提出的10G标准规定了5种光接口。而且，对于专用光背板产品，也有多种多样的解决方案。光收发器应用的急剧增加导致了多样性，需要不断发展相关技术满足这种应用需求。 上个世纪九十年代末期，LAN中基于铜的数据通信开始停滞不前，随着G级以太网络的发展，这种趋势更为明显。由于技术困难，铜版本标准被搁置，而光纤版本则得以通过。结果光收发器首次被大规模应用于LAN，而且在提出的10G以太网络标准中，IEEE特意没有包括任何铜接口。因此，光互连已经成为主干LAN的首选技术。 同时，网络容量需求的急速增加导致发展大于Tb的交换机和路由器，典型应用于多机架链路，机架之间的链路可多达数千个，而每一个链路都不会小于10Gb/s。铜技术不能完成该任务，需要设计全新一族光收发器以适应这种应用。 由于光纤技术成本下降和容量要求的提高，众多电信公司、地方政府、甚至大的企业集团已经开始将光纤技术应用于城市区域网络(MAN)应用。因此，曾一度局限于远距离和高端骨干网络的光纤链接技术现已遍及网络设施的每一角落。但是，光纤链路应用数量的急速增加也导致了品种繁多，有时甚至互相矛盾的光收发器。 远程收发器的需求在于远距离，收发器必须在没有放大器的情况下，能够运行100Km，如果有放大设备，则应更远。这种收发器一般工作在1550nm波段(1530～1565nm)，此范围内光能量损失较低而且光放大比较容易，因此该波段为首选。远程收发器也要求较窄的线宽(小于0.04nm），以减少色散(由于不同波长传播速度不同而造成的脉冲加宽)，高速率数据传送时色散限制了传送距离。要满足上述要求，需要用远程收发器配合分布反馈(distributed-feed-back）Bragg激光和外部调制器降低啁啾声(chirp,由于激光调制电流而导致的激光波长的变化)。 MAN收发器一般工作在较短距离(最大40Km），因此光纤损失并不重要，同时不需要光放大，这样就拓宽了激光波长范围(1300nm即可以使用)，降低了激光光源限制(线宽可放宽到2nm）。对于距离不到10Km的链路，外部调制也不重要。MAN收发器比远程收发器便宜很多，但由于要应用于对信道密度和功耗都很敏感的转换设备，因此应比远程收发器做的更小，有更低功耗。 LAN收发器工作在距离较近的链路，通常是位于一个建筑物内或大学校园不同建筑物之间，最大距离要求一般是2Km。这种环境下，大多数链路之间的距离都不到100m，需要用多模光纤链路，所以LAN收发器能够和便宜的850nm激光使用。由于LAN收发器为用户端口设备的大部分，因此这些器件必须低成本、小型化、低功耗。而且，它们主要用于设计用户卡可以接入的端口，应尽量小并且降低电磁干扰(EMI）。LAN收发器还必须是即插即用型，不同于上面提到的各种收发器。 背板收发器必须工作在很短距离内(不大于100m），除了两个重要的区别外，和LAN收发器具备同样的要求。由于背板收发器用于专有内部链路，尽管对于特定收发器而言，多种货源也很重要，但不需要什么标准。背板收发器必须具备绝对大的带宽密度（收发器数据速率除以带宽），这一点对于光背板应用尤其重要，因为用户带宽由背板收发器链路带宽所限制，而背板带宽通常由用户卡边缘给背板收发器留下的空间所决定。 驱使收发器急剧增长的其它因素包括光纤收发器的各种技术。目前使用的有三种不同类型激光：Fabry-Perot(FP)，DFB和垂直腔面发射激光(vertical-cavity surface-emitting-lasers, VCSELS），三个波长范围(850 nm，1300 nm，和1550nm)，两种光纤类型(单模和多模)，四种不同的传输技术(串行、并行、DWDM和CWDM）。如果考虑到各种组合，不计算光纤链路类型和形状因数(Form factor)引起的不同，可以有72种不同的收发器。 FP激光比起DFB更容易制造，但是由于具有相对较大的线宽（大于1nm)和温度造成的波长漂移(0.5nm/℃)，不适合于高速或远距离应用。而DFB激光具有线宽较窄(小于0.04nm)，波长随温度变化的漂移较小(0.1nm/℃)的优势，完全适合于高性能通信应用。但是，DFB激光也有局限。第一，工作于1500nm波段的激光对于chirp非常敏感，通常需要一个外部调制器(这种限制在1300nm波段时并不特别明显)。第二，生产DFB激光比起FP激光或VCSEL更加困难。最后，DFB激光需要更大的电流。这些特性使得DFB激光不适合于许多LAN应用和大多数光背板应用。VCSEL有相对较窄的线宽(0.35nm)和非常低的波长漂移(0.06nm/℃)，低电流阈值(1mA)比FP和DFB激光在输出同样功率时效能更高，而且没有DFB激光那样高的啁啾声。因此，VCSEL甚至在10Gb/s时都可直接调制。最后，比起其它激光，制造和调整准直VCSEL都比较容易，这样就能够生产低成本基于VCSEL的收发器。这些特性看起来足以使VCSEL成为高性能通信应用的理想解决方案。但是，目前它仍有两个显著的弱点。 第一，实践证明，生产能够工作在1300～1500nm波段适当功率水平的VCSEL非常困难，限制了VCSEL应用于多模光纤。第二，即使比起DFB激光更为有效，但问题在于它们不能产生DFB激光那样大的功率。这些弱点以及波长的局限使VCSEL目前仅仅应用于较短距离的LAN应用和光背板应用。 850nm波段（770～860nm）的明显特征是具有大的衰减（在老式光纤中有3.75dB/Km）、多模光纤中的高模态和色散、以及激光安全方面的担心，如果没有对开放光纤控制到-4dBm或更高，就会限制激光最大功率的使用。工作在850nm波段的收发器不能用于单模光纤(标准9mm单模光纤不支持1260nm以下的单模)。这些局限可将850nm波段收发器的工作距离在10Gb/s时减小到不足30m，具体取决于光纤类型。然而，由于其低成本，850nm收发器在光背板和LAN应用中仍很普遍。 1300nm波段(1270～1355nm)的明显特征是具有较低的衰减(在多模光纤中为1.5dB/Km，单模光纤中为0.5dB/Km)、更少的色散(对于标准光纤，零色散波长在1295～1365nm范围内，随光纤类型而有所不同)和较低的激光安全问题考虑(一级运行可达2dB)。而且，1300nm收发器可和标准单模光纤一起使用，因此即使用最差的多模光纤，在10Gb/s时1300nm收发器的工作距离可达85m，如果用单模光纤，工作距离可达10Km。因此，1300nm收发器能够理想应用于许多LAN和一些MAN。 1500nm波段(1530～1565nm)具有最低的光衰减(在单模光纤中为0.36dB/Km)，而且在此波段也可以用光放大显著提高工作距离，因此该波段可以很好地用于远距离应用和较远距离的MAN。但一般情况，此波段不用于光背板和LAN，因为此范围的激光运行费用极其昂贵。 对于所有大于500m的通信应用，单模光纤是首选类型。单模光纤比多模光纤能够更容易地支持高数据传输率，但不能认为单模可适于所有的光纤应用。单模技术需要在收发器内有更为精确的准直(不到1mm），这使其生产极其困难。而且单模收发器不能使用低成本的850nm VCSEL，因为这些器件不能运行单模光纤。因此，在未来更换网络时，如果光纤成本低于昂贵的单模收发器，多模光纤将大有可为。 对于许多LAN经营者来说，由于已有网络的既成事实和比单模光纤更容易运行等因素，多模光纤仍是首选。而且，大多数骨干网链路都和数据中心很近，10Gb/s也在多模光纤容量之内，因此这种用于数据中心链路并完全支持现有网络设施的低成本多模. 收发器仍很重要 大约十年前，串行传输是仅有的光纤通信技术，该技术具有简易光学(一端是光源，另一端是探测器，不需要光学复用及解复用)和简易电子学的优势。但是当带宽需要增加时，这种技术的两种局限就非常明显。第一，每一光纤的数据流不能充分利用光纤的实际容量；第二，在高数据速率时，所需要的光电元器件很难设计和制造具备较高性价比的产品。 使用多种波长，DWDM允许在单个光纤内传输多个数据流(一个波长对应一个数据流)，波长被压缩在1530～1565nm范围内，以满足光放大器的需要，已经有100多种波长被压缩到这个范围内，每一个波长都工作在10Gb/s，这样，DWDM就能够在单个光纤内传输大于1Tb的信息量。但是，这种能力需要线宽非常窄的特定波长激光。而且，这种激光必须能够控制温度以消除波长漂移。DWDM需要外部调制的激光来消除chirp，需要精确滤波技术选择接收器的波长，对于极远距离的传输则需要光放大器和色散补偿器。因此，在一个DWDM系统中，单一信道(波长)成本可高达2万美元。这样高的成本，使DWDM系统和收发器一般仅仅局限于远距离系统，在这样的应用中，铺设光缆的费用、困难和时间很容易超过DWDM设备的费用。 同样用多种波长，CWDM（Coarse WDM）也可在单个光纤内传输多个数据流。但波长之间的间隔是10～25nm，这样大的波长间隔使单个光纤仅能容纳8个波长。但大波长间隔倒是简化了光学系统的设计，因为不再需要对波长和温度都精确调节的激光器，简单的光学滤波即可。由于信道数量有限，CWDM收发器可使用简易光学系统，做入一小的封装内。最后，由于CWDM收发器是典型应用于近距离链接(不超过10Km)，可使用包括VCSEL在内的便宜、直接调制的激光。所有这些特性使4～8个波长的CWDM收发器市场售价不到1000美元。此外，CWDM收发器还可以被做成同样大小的封装，应用于串行收发器或转发器。 并行光纤收发器在12条光纤中传输数据，该光纤组形成一个比传统双光纤缆线还小的光缆，每一个光纤构成一个数据信道。因此，对于每一个光纤都工作在2.5Gb/s的并行光纤收发器，其综合数据传输速率可达30Gb/s。因并行光纤光缆以及链接器都很小，其收发器比传统工作在10 Gb/s的收发器要小。因此，并行光纤收发器已经成为构建光背板的可选技术。 并行光纤技术的主要缺点在于光纤和链接器成本高，并行光纤大约为4～5美元/米，终端成本为70美元/每端(单束光纤大约为30美分/米，终端成本为10～12美元/每端)。此外，并行光纤难以在现场架设，由此，并行光纤收发器一般只局限于光背板应用，其中带宽密度非常关键，光纤长度相对较短，而且比较固定。 目前正在研发的收发器将CWDM和并行光纤技术结合在一起，使用并行光纤可以在单一链路中达到120 Gb/s的传输速率。主要技术是用CWDM将四种波长的激光复用到12条光纤的每一个上，这种结构使系统能够同时传输48个信道的数据，每一个信道数据传输速率为2.5Gb/s，总速率可达120Gb/s。如果数据传输速率增加到10Gb/s，每一个光纤的波长数量增加到8个，这种复用技术在单个并行光纤传输数据，速率可达960Gb/s。非常明显，这些技术的结合能够提高光背板的性能，同时减少所需光纤链路的数量。 该项混合技术在市场上已经占有了一席之地，使以前根本不可能或极其昂贵的应用成为现实。就象本文前面提到的，随着光纤技术被应用到更多领域，独具特色的应用需求带动了收发器种类的增加。但关键在于要明确新收发器的容量，然后再和相应的使用要求匹配。