10．光探头

传统上，实时示波器只能进行电信号测量，如果要进行光通信接口的一致性测试，例如测试光信号的眼图、模板、抖动、消光比等参数，普遍使用的测试工具是采样示波器，这是因为采样示波器带宽高、噪声低、抖动小，同时其光通道在出厂时都会进行细致的直流和频响校准。图5.48是采样示波器常用的一些做光信号测试的测量模块。

图5.48 用于光信号测试的采样示波器模块

但是，采样示波器由于等效采样方式的限制，其应用场合受到一定的限制。例如在一些激光脉冲的测试中，希望测到连续的激光脉冲串的幅度或形状变化；或者在一些光通信信号的调试中，可能会要求捕获一段连续的数据进行调试或者解码（例如基站拉远中CPRI信号的定时信息提取）；甚至还有些光信号本身就是采用Burst方式（例如GPON通信接口）进行传输的。这些应用都需要借助实时示波器的功能对光信号的波形进行实时采样和分析，这时就需要配合相应的光/电转换器（或者称之为光探头）。

光/电转换器（Optical-to-Electrical Converter, O/E）的工作原理如图5.49所示，输入光信号经过相应的光电二极管转换成电信号输出，然后经放大器放大后输出。

图5.49 光探头的原理

对于光电转换器来说，最重要的指标包括支持的波长范围、带宽、转换增益等，而如果希望用于光信号质量的测试，还需要关注其频响曲线、暗电平校准等。

例如，在光通信信号的眼图、模板、抖动等参数测量中，为了避免激光器开关过程中造成的过冲的影响，测试中需要对被测信号加一个带宽为信号速率的0.75倍、频响曲线为4阶贝塞尔-汤姆逊函数的低通滤波器，然后再进行相关参数测试（见图5.50）。测试规范对于这个滤波器的频响曲线会有一定的容忍度范围，但如果超出这个范围，测量到的信号的形状和参数可能就是不符合规范的。因此，如果要用实时示波器配合光电转换器进行光通信信号的定量测试，其光电转换器加上实时示波器的频响必须符合规范要求并可以根据数据速率进行调整。例如要测试的光信号速率为28Gbps，就要求光电转换器加上实时示波器的频响为一个带宽为0.75×28Gbps=21GHz的4阶贝塞尔-汤姆逊低通滤波器。对于采样示波器来说，这种滤波是通过内置相应速率的硬件滤波器实现的；而对于实时示波器来说，一般没有内置的针对不同速率信号的硬件滤波器，只能通过DSP软件对频响或带宽进行调整。为了保证实时示波器使用光探头时测量的信号结果可以与测试规范要求匹配，就需要示波器能够知道使用的光探头本身硬件的频响曲线，再叠加上示波器本身的频响曲线，然后通过DSP功能一起修正成需要的频响曲线。

图5.50 光通信信号测试对于示波器频响曲线的要求

用实时示波器加光探头做光通信定量测试的另一个挑战是消光测试。测试消光比的主要规范是IEC 61280-2-2规范，在这个标准中建议采用严格控制频响的参考接收机（参考接收机：具有4阶贝塞尔-汤姆逊低通滤波器幅频响应，3dB截止频率（带宽）=0.75×数据速率）进行测试，从获取的眼图按照统计原理获取眼图中间20%区域的逻辑“1”和“0”的参数，从而计算得到消光比（见图5.51）。消光比是采用直方图获取眼图中间20%区域（0.4 UI～0.6 UI）逻辑“1”电平和逻辑“0”电平光功率的比值，并用对数值表示。

在消光比测试中，逻辑“1”对应激光器打开时的光功率，是大信号，受偏置误差影响不大；但是逻辑“0”对应激光器关闭时的光功率，是小信号，受偏置误差影响较大。作为眼图/消光比测试的仪表（参考接收机），光示波器模块的光口在没有入射光信号的情况下，其光电探测器会产生暗电流（噪声），这个噪声信号会叠加在被测信号内，从而影响逻辑“0”电平的测量。对于此误差，需要通过仪表内部自校准来克服。由于消光比通常以对数形式描述，如果暗电平（Dark Level，即完全没有光信号输入时测到的信号功率）校准不准确，会造成逻辑“0”电平测试的很大误差，从而影响消光比的测试结果的准确性。

图5.51 消光比的测试方法

因此，虽然现在技术使得光电转换器的带宽已经可以达到30GHz以上，但在使用实时示波器配合光电转换器进行光信号测试的过程中，如果要做相对准确的定量测量，还需要特别关注其测试的波长、增益、带宽和频响特性以及暗电平校准等，才能得到与采样示波器类似的测量结果。图5.52是用光电探头配合实时示波器进行光信号测试的连接和设置。

图5.52 实时示波器的光探头及参数设置