10．光探頭

傳統上，實時示波器只能進行電信號測量，如果要進行光通信接口的一致性測試，例如測試光信號的眼圖、模板、抖動、消光比等參數，普遍使用的測試工具是采樣示波器，這是因為采樣示波器帶寬高、噪聲低、抖動小，同時其光通道在出廠時都會進行細致的直流和頻響校準。圖5.48是采樣示波器常用的一些做光信號測試的測量模塊。

但是，采樣示波器由于等效采樣方式的限制，其應用場合受到一定的限制。例如在一些激光脈沖的測試中，希望測到連續的激光脈沖串的幅度或形狀變化；或者在一些光通信信號的調試中，可能會要求捕獲一段連續的數據進行調試或者解碼（例如基站拉遠中CPRI信號的定時信息提取）；甚至還有些光信號本身就是采用Burst方式（例如GPON通信接口）進行傳輸的。這些應用都需要借助實時示波器的功能對光信號的波形進行實時采樣和分析，這時就需要配合相應的光/電轉換器（或者稱之為光探頭）。

光/電轉換器（Optical-to-Electrical Converter, O/E）的工作原理如圖5.49所示，輸入光信號經過相應的光電二極管轉換成電信號輸出，然后經放大器放大后輸出。

對于光電轉換器來說，最重要的指標包括支持的波長范圍、帶寬、轉換增益等，而如果希望用于光信號質量的測試，還需要關注其頻響曲線、暗電平校準等。

例如，在光通信信號的眼圖、模板、抖動等參數測量中，為了避免激光器開關過程中造成的過沖的影響，測試中需要對被測信號加一個帶寬為信號速率的0.75倍、頻響曲線為4階貝塞爾-湯姆遜函數的低通濾波器，然后再進行相關參數測試（見圖5.50）。測試規范對于這個濾波器的頻響曲線會有一定的容忍度范圍，但如果超出這個范圍，測量到的信號的形狀和參數可能就是不符合規范的。因此，如果要用實時示波器配合光電轉換器進行光通信信號的定量測試，其光電轉換器加上實時示波器的頻響必須符合規范要求并可以根據數據速率進行調整。例如要測試的光信號速率為28Gbps，就要求光電轉換器加上實時示波器的頻響為一個帶寬為0.75×28Gbps=21GHz的4階貝塞爾-湯姆遜低通濾波器。對于采樣示波器來說，這種濾波是通過內置相應速率的硬件濾波器實現的；而對于實時示波器來說，一般沒有內置的針對不同速率信號的硬件濾波器，只能通過DSP軟件對頻響或帶寬進行調整。為了保證實時示波器使用光探頭時測量的信號結果可以與測試規范要求匹配，就需要示波器能夠知道使用的光探頭本身硬件的頻響曲線，再疊加上示波器本身的頻響曲線，然后通過DSP功能一起修正成需要的頻響曲線。

用實時示波器加光探頭做光通信定量測試的另一個挑戰是消光測試。測試消光比的主要規范是IEC 61280-2-2規范，在這個標準中建議采用嚴格控制頻響的參考接收機（參考接收機：具有4階貝塞爾-湯姆遜低通濾波器幅頻響應，3dB截止頻率（帶寬）=0.75×數據速率）進行測試，從獲取的眼圖按照統計原理獲取眼圖中間20%區域的邏輯“1”和“0”的參數，從而計算得到消光比（見圖5.51）。消光比是采用直方圖獲取眼圖中間20%區域（0.4 UI～0.6 UI）邏輯“1”電平和邏輯“0”電平光功率的比值，并用對數值表示。

在消光比測試中，邏輯“1”對應激光器打開時的光功率，是大信號，受偏置誤差影響不大；但是邏輯“0”對應激光器關閉時的光功率，是小信號，受偏置誤差影響較大。作為眼圖/消光比測試的儀表（參考接收機），光示波器模塊的光口在沒有入射光信號的情況下，其光電探測器會產生暗電流（噪聲），這個噪聲信號會疊加在被測信號內，從而影響邏輯“0”電平的測量。對于此誤差，需要通過儀表內部自校準來克服。由于消光比通常以對數形式描述，如果暗電平（Dark Level，即完全沒有光信號輸入時測到的信號功率）校準不準確，會造成邏輯“0”電平測試的很大誤差，從而影響消光比的測試結果的準確性。

因此，雖然現在技術使得光電轉換器的帶寬已經可以達到30GHz以上，但在使用實時示波器配合光電轉換器進行光信號測試的過程中，如果要做相對準確的定量測量，還需要特別關注其測試的波長、增益、帶寬和頻響特性以及暗電平校準等，才能得到與采樣示波器類似的測量結果。圖5.52是用光電探頭配合實時示波器進行光信號測試的連接和設置。