前言

随着因特网的发达及信息流通速度越来越快，对于通讯系统带宽的要求也越来越大。从远古时期人类使用狼烟、旗号，一直到二十世纪的铜缆通讯，信息传输速率也由每秒数比特（bit）增加到现在的GbE（Gigabit Ethernet；每秒千兆位以太网络）。数据速率越高，伴随而来的技术层次也从传统数字电路设计导入射频甚至微波的观念而越复杂。幸好二十世纪中末期发展出来的光纤通讯，解决了电气通讯大部分困难的技术问题。

在高传输容量的通讯网络中，系统稳定性及可靠度是除了高速传输以外最重要的特性。光纤通讯的优势在于除了高带宽以及前述的特性之外甚至是讯号完整度，都是目前其他技术无法取代的。以目前的科技来说，并非完全无法利用其他技术来取代光在高速数字通讯的地位，而是若要达成相同的结果，则其他技术所需付出研发或制造成本，将远远高于利用光通讯来进行信息流通。

一个基本的光纤通讯架构如(图一)所示，包含了：电－光转换器（E/O converter；雷射二极管或发光二极管，负责将电子讯号转换成光波调变讯号）、传递光波讯号的光纤以及在光纤通路终点的光电转换器（O/E converter；光接收二极管，将接收到的光讯号解调成电子讯号并由后级电子电路作后续处理）。

《图一 光纤通讯基本架构》

在光纤通讯系统中，并不用光讯号来做任何的运算或是编译码。这些讯号处理的工作利用数字信号处理器（DSP）或是一些特殊应用IC（ASIC）以电子讯号来完成。实际上，光只负责将处理（调变）过后的讯号完整的传输到远处的接收端。若要将电子讯号转换成光讯号或重新将来自接收端的光讯号转换成网络设备可用的电子讯号，就必须要使用光收发器Optical Transceiver。

依据PIDA对于台湾光通讯产值从1999年到2003年的估计，2000年光主动组件成长率119％。而台湾业者自2001年起，投入光收发模块的厂商有如雨后春笋。对于相关测试设备及信息的需求也大幅增加。以下就针对光收发器的测试说明。

光收发器（optical transceiver）的测试分为两方面：光发射器（transmitter；Tx）及光接收器（receiver；Rx）。

光发射器（Tx）

(图二)是光发射器Tx测试基本架构。基本上，光发射器的工作是将电子讯号转换成光讯号，因此需要有一产生伪随机码（PRBS）数字波形产生器将电子讯号送给光发射器，再利用宽带示波器（Wide Bandwidth Oscilloscope）及光功率计量测其参数。

《图二 光发射器测试架构》

光发射器所需测量的参数大致上可分为七项：上升时间（Rising Time；Tr）、下降时间（Falling Time；Tf）、颤抖峰值（Jitter；Jp-p）、颤抖均方根值（Jitter；Jrms）、平均功率（Average Power；Pavg）、消灭率（Extinction Ratio；Er）、波罩测试（Mask Test）。

上升时间与下降时间

数字讯号由零准位上升到壹准位的时间或由壹准位下降到零准位的时间。通常是以壹准位的10％～90％作为量测的依据，也有规范规定20％～80％。此量测值越短越好，以免过慢的上升时间或下降造成对下一个频率的数据出现干扰。

颤抖

也就是数字讯号因频率随不稳定而造成上升缘或下降缘出现相位误差的现象。在数字通讯领域中，颤动的量测值越接近零代表讯号在频率上的完整度越佳。

平均功率

在不同的通讯距离有不同的光功率输出要求。例如以国际光缆达数百公里的广域网（Wide Area Network；WAN）、数十公里的都会网络（Metropolitan Area Network；MAN）极短至数百公尺的局域网络（Local Area Network；LAN）。规范的平均输出功率以广域网要求最高，其他则依距离减少而所需的功率越小。

消灭率

是眼图壹位准和零位准的比率，其计算公式如下(公式一)：

《公式一》

消灭率是用来表示雷射或发光源的效能。假设有一个雷射在不同的偏流下工作如(图三)，依照以上公式可以得知图三上方的雷射ER值较高，也就是该雷射的操作效率较好，只需利用较少的能源消耗，便可达到同样的传输效果。简单来说，消灭率数值越大，雷射的效率越高。以系统角度而言，较高的消灭率带来较低的误码率（BER）。换句话说，ER值越高，维持相同误码率所需的消耗功率就越低。

《图三 不同工作偏流下之消灭率》

波罩测试

所谓波罩测试是为了辨别光发射器的眼图量测是否符合规范的一致性测试。对于不同的数据速率（Data Rate）有不同的波罩。波罩分为上中下三部分，形状依不同规范而不同，例如SDH/SONET及以太网络的矩形及六角形。另外，速率超过10Gbps的通讯系统采用的返回零（RZ）讯号，也有不同于非返回（NRZ）零讯号的波罩，如(图四)及(图五)。

《图四 STM16/OC48非返回零（NRZ）波罩》

《图五 返回零(RZ)讯号波罩》

光接收器（Rx）

光接收器的运作是将远程传来的光调变讯号转换成电子讯号。在测试的架构方面如(图六)，需要适当的误码率测试仪（Bit Error Ratio Tester；BERT）来量测该接收器运作是否正确将所接收的数据转换为相对应之电子讯号。由于绝大多数误码率测试仪都仅配备电讯号输出，因此，必须有一标准电－光转换器，将电子讯号转换成光讯号，以取代光纤通讯中远程光发射器传来的讯号。而此标准电－光转换器与待测光接收器中间链接的光衰减器乃用来仿真光因为经过长距离传输所造成的损耗。

《图六 光接收器测试架构》

灵敏度

光接收器测试项目最重要的就是灵敏度（Sensitivity）。所谓的灵敏度，定义为当系统误码率到达可接受最大上限该点的光平均功率。意思是说若光接收器的输入平均功率低于灵敏度，则其将光转换为电的错误率将高于可接受的范围。通常灵敏度可表示成：-38dBm@10E-12，代表当输入光讯号平均功率大于-38dBm则误码率将小于10E-12。量测灵敏度所需的设备包括误码率测试仪、光衰减器、光功率计及标准电光转换器。

进行光接收器灵敏度量测时，必须同时观察误码率及调整光衰减量。当衰减量增加使误码率到达可容许最大范围的程度，量测此时光平均功率，即可得到灵敏度量测值。看似简单的操作，实际上却有其学问：测试时间长短。

由(表一)可知，以OC-48 数据率（2488Mbps），当要达到95％的信心水平，必须要连续量测二十分钟不发生任何错误，其误码率为10E-12。以此规则量测灵敏度，则每增加一格光衰减器刻度都必须等待至少二十分钟。这种手动方式，仅能用于研发初期阶段，若是用于产线测试，则必定大幅提高生产成本、降低竞争力。

《表一 不同速率及不同误码率测试所需时间》

小结

本篇光收发器量测系统着重于介绍光收发器测试基本概念。实际上，不同产品有不同的量测技巧及重点，下篇笔者将针对各种生产线自动化测试作介绍。（作者任职于台湾安捷伦科技）