Table of Contents

إن أجهزة الاستقبال الضوئية هي نقاط النهاية الحاسمة في نظم الاتصالات الألياف الضوئية، وتحويل الإشارات الخفيفة المتحركة إلى تيارات كهربائية يمكن تجهيزها في مواقعها الإلكترونية، وسواء كانت في مراكز البيانات ذات السرعة العالية، أو كابلات الغواصات الطويلة، أو شبكات الألياف إلى البيت، أو أن أداء جهاز الاستقبال الضوئي يملي مباشرة حساسية النظام وموثوقيته، وتقنيات التصميم الافتراضية.

أساسيات الاختبارات البصرية للمستقبل

وقبل أن تمضي في إجراءات اختبار محددة، من المهم فهم البارامترات الرئيسية التي تحدد أداء المتلقي البصري، وتشكل هذه البارامترات أساس كل خطة اختبار وتقاس للتأكد من أن المتلقي يفي بمواصفات تصميمه ومتطلباته على مستوى المنظومة.

معايير الأداء الرئيسية

  • () الحساسية: ] الحد الأدنى من القوة البصرية في مدخل جهاز الاستقبال الذي ينتج عنه معدل خطأ محدد (من الناحية التقليدية 10 إلى 12 بالنسبة للعديد من النظم) ويقاس الحساسية بـ دي بيم ويتأثر بالضوضاء، وزوارق النطاق، وشكل الصيغ.
  • (الـ (فـلـتـيـتـيـتـيـتـيـتـيـتـيـتـيـهـا الـتـرـدـويـة الـذي يـصـلـيـنـه إلـى ردـاً مـنـاسـبـاً (ـمـعـاـاـا فـيـعـة الـعـيـيـيـيـيـعـعـيـة الـة الـيـعـعـاـعـيـيـاـاـاـاـيـيـاـاـاـاـاـيـمـاـاـاـاـاـى) مـاـمـمـاـتـسـاـاـيـتـمـى الـتـى الـى الـتـمـمـمـعـسـى الـتـعـعـعـعـىـىـى الـى الـى الـى الـى الـ
  • Noise:] Includes shot noise (from photodiode current), thermal noise (from load resistanceor and amplifier), and excess noise in avalanche photodiodes (APDs). The noise figure quantifies how much the receiver degrades the signal-to-noise ratio.
  • انحراف إنتاج جهاز الاستقبال الكهربائي عن علاقة خطية مثالية مع القدرة البصرية للمدخلات، وعدم التكهن يسبب التشويه، والتحدث عبر الحدود، وتراجع الأداء في أشكال متعددة المستويات مثل PAM4.
  • Dynamic Range:] The span of input optical powers over which the receiver can operate without saturation or excessive bit errors. It is bounded by the sensitivity at the low end and the overload or compression point at the high end.
  • Jitter Tolerance:] In clock and data recovery (CDR) integrated receivers, jitter tolerance defines how much timing jitter the receiver can withstand while still recovering the data correctly.

وتتطلب كل من هذه المعايير أساليب اختبار محددة وتوثيق، وتفصل الفروع التالية أفضل الممارسات للحصول على قياسات موثوقة والأدوات المستخدمة لتنفيذها.

أفضل الممارسات في مجال القياسات الموثوقة

ويتطلب الاختبارات الصارمة الاتساق والقابلية للتكرار، فالتقيد بأفضل الممارسات التالية يقلل من عدم اليقين في قياسها ويكفل أن تكون النتائج جديرة بالثقة.

1 - معايرة جميع معدات الاختبار

(ب) عدم التفاوض على نظام " التلقيح " ، ويمكن لمعدّد طاقة بصري غير معيّد أن يُحدث أخطاء منهجية لعدد من عُشر العلامة، مما قد يحجب اختلافات الأداء بين أجهزة الاستلام، واستخدام معدات لها شهادات قياس معادلة قابلة حالياً للمعايير الوطنية (مثلاً، أجهزة قياس الترددات غير المُعدية، وأجهزة التكييف 17025).

2- التحكم في بيئة الاختبار

ويمكن أن تؤثر الظروف البيئية، ولا سيما ] المعاصرة والرطوبة ]، تأثيراً كبيراً على سلوك أجهزة الاستلام البصرية، وغالباً ما تتدهور درجة الحرارة عند ارتفاع الضوضاء الحرارية وانخفاض درجة المسؤولية عن استخدام أجهزة قياس درجة الحرارة، أو في مختبر قياس ثابت ذي ظروف خفية (تتتمثل في 23 درجة مئوية من الحرارة 2 مئوية).

3- ضمان وجود روابط مضنية وقابلية للتأثر

ويُعدّ موصلات الألياف الملوثة أو المتلفة مصدراً متكرراً لخطأ القياس، ويفتش جميع الأوجه النهائية الموصلة بميكروسكوب الألياف وينظفها باستخدام مبيدات وكحول خالية من العلف قبل كل اختبار، وينبغي أن تكون جميع أجهزة الاتصال [(FLT:0)] ذات الصلة الجسدية المتشابكة ] عند متلقي الاختبارات ذات المتطلبات العالية من فقدان العائد.

4 - تدابير إعادة التكرار واستخدام التحليل الإحصائي

ويمكن أن تكون القياسات ذات النقاط الواحدة مضللة بسبب الضوضاء، والآثار المعتمدة على الوقت (مثلاً، تقلبات الحرارة، أو تقلبات الطاقة البصرية)، أو أخطاء عشوائية، أو أداء متعددة الأطراف لكل نقطة اختبار، لا سيما عند قياس الحساسية أو معدل الخطأ البسيط، ومن الممارسات الجيدة أن تأخذ على الأقل ثلاثة مقاييس مستقلة، وأن تبلغ عن متوسط ومعدل الانحراف المعياري.

5 - الوثيقة كل بارامتر

(ب) تسجيل نموذج معدات الاختبار ورقم التسلسل، ومواعيد المعايرة، وتركيب الموجات البصرية، ونموذج العزلة، ومعدل البيانات، ونوع النمط (مثلاً، برو بي إس 31)، ومستويات القدرة على الإسهام، وأي ظروف بيئية، واستخدام نموذج موحد لتقرير الاختبار يتضمن البيانات الأولية ومقاييس القياسات المستمدة (مثلاً، مقارنة الحساسية عند الرقم BER-12).

6- مبادئ توجيهية للصانعين

وعادة ما يقدم مصنّعو أجهزة الاستلام البصرية إجراءات اختبار موصّلة ] في صحائف بياناتهم أو ملاحظات التطبيق هذه الإجراءات لتشويش المدخلات المحددة، وفولاذ التحيز، ومتطلبات إنهاء الإنتاج للمستقبل، على سبيل المثال، بعض أجهزة استقبال أجهزة الاستدعاء التابعة للرابطة بحاجة إلى تحيز كبير جداً لتحقيق أقصى قدر من المكاسب، والاختبارات دون التحيز الصحيح يمكن أن تتدهور.

الأدوات الأساسية لاختبار المتلقينات البصرية

إن اختيار معدات الاختبار الصحيحة هو نفس أهمية منهجية القياس نفسها، والأدوات الواردة أدناه هي أساس أي مختبر اختبارات بصرية للمستقبل.

أجهزة قياس القوة الضوئية

(د) قياس متوسط حادث الطاقة البصرية على جهاز الاستقبال. (لإجراء قياسات دقيقة للحساسية، يلزم استخدام جهاز قياسي مائي مُحدَّد للطاقة في منطقة واسعة مع نطاق الموجات يغطي الموجة الإشارة (مثل 1310 نانوغرام و1550 نانوغرام) لتحسين دقة أجهزة التحكم باستخدام جهاز قياسي للطاقات.

اختبارات الارتداد بالخطأ

(ب) إنَّ BERT ] هي أهم أداة لتقييم أجهزة الاستقبال الرقمية، وهي تولد نمطاً اختبارياً معروفاً (مثلاً، PBS7، PRBS31)، وتقارن البيانات الواردة بالنمط المُحال، وأخطاء عدّ، كما تشمل معدلات الفرز الحديثة للتعافي من التوقّف، والتصويب، وقدرات توليد الجيل (400).

الأسكواكوب (التوقيت الحقيقي وأخذ العينات)

"الزجاجات المشابهة" "يُستخدم لفحص إشارة الناتج الكهربائي من جهاز الاستقبال" "أ"

محلل مختصر الطبقات الضوئية

وفي حين أن اختبارات الإنتاج الروتينية أقل شيوعاً، فإن أجهزة تحليل الطيف الضوئي تستخدم في التميز لدراسة الاستعارة والشكل الاستشرافي للإشارة البصرية المتلقاة، وفي نظم التكتل المتعدد الشُعبة، يمكن أن يساعد مكتب خدمات الرقابة الداخلية في التحقق من أن الناقل البصري يتجه نحو النسق الصحيح للإشارة، وأن خطوط الاتصال المترابطة للموجات المترابطة.

المُوجهون البصريون المُتَوَقَّرون (VOAs)

A VOA] allows precise control of the optical power delivered to the receiver. In sensitivity testing, you start at a high power (low attenuation) and increase attenuation to lower the power while monitoring the BER. The VOA should have high resolution (0.01 dB steps) and low wavelength-dependent loss. Some VOAs ared motor

جهاز إرسال مرجعية

وبالنسبة لفحص أجهزة الاستلام، فإن جهاز إرسال للإحالة المرجعية مع قدرة إنتاجية جيدة التجهيز، ونسبة الانقراض، وبطانة منخفضة، وينبغي أن يكون لدى جهاز الإرسال المرجعي رسم بياني بصري نظيف (فتح العين عالياً وضوضاء منخفض) لتجنب إدخال معاملات يدوية تكون غير مستغلة كعناصر قصور متماسكة.

القوة المعارضة ووافلنغث

In multi-wavelength tests, a tunable bandpass filter] can select a single channel from a WDM comb. This is useful for measuring receiver cross communication and selectivity, particularly for wavelength-selective receivers used in coherent systems.

تقنيات التكييف

التكييف يتجاوز اختبارات المرور والفشل البسيطة، فهو يوفر فهما عميقا لسلوك المتلقي عبر نطاق عمله، التقنيات التالية شائعة الاستخدام.

اختبار الحساسية

ويقاس الحساسية برسم خرائط BER ضده، وتلقّى قوة بصرية ] (حانة "الضرب" لأي من وحدات خفض الانبعاثات أو عوامل التصنيع Q-factor).

  1. (ب) وضع جهاز الإحالة المرجعية لشكل التعديل المرغوب فيه ومعدل البيانات.
  2. اتصلوا بالمرسل إلى المستلم من خلال جهاز تعقب وجهاز كهرباء بصري (مع جهاز قياس كهربائي مُعين يُراقب ميناء الصنبور).
  3. ابدأوا في قوة بصرية عالية (مثلاً، - 10 دبوم) حيث ينبغي للمتلقي أن ينتج عن ذلك جهازاً منخفضاً (الرقم 10-12).
  4. زيادة معدل تصعيد التحلل في درجة الحرارة عند 0.5 درجة مئوية (تقترب من الحد الأقصى للحساسية) وتسجيل معدل الارتفاع عند كل مستوى من مستويات الطاقة، وضمان الإشارة إلى مدخلات جهاز الاستلام إلى قياس الطاقة.
  5. استمر حتى يصل الطبيب الشرعي إلى 10-3 أو أكثر (عادةً، يتراجع أداء المستلم بشكل حاد عن هذه النقطة).
  6. (ب) سجل (ب) Plot log(BER) ضد القوة في بروميد الميثيل. والحساسية هي القوة التي يعبر بها BER عتبة محددة، عادة 10-12 (إذا امتد المنحنى إلى ذلك الحد) أو عتبة مخففة مثل 10-9 أو 10-5 عندما يستخدم تصحيح الخطأ الأمامي.

وبالنسبة لمستقبلي برنامج تطوير البرامجيات، من الأهمية بمكان تحقيق أقصى قدر من التحيز قبل بدء الاختبار لأن المكاسب المثلى تختلف بدرجات الحرارة وقوى المدخلات.

قياس باندويث

ويقاس نطاق التردد الاستلام عادة بتسجيل الاستجابة السريعة (S21) ) من جهاز الاستلام الضوئي ومضخم الترميز (TIA) الذي يستخدمه جهاز محمول من مصادر بصرية بصرية، يستخدم بطريقة مبسطة.

  1. معاير نظام تقييم المخاطر في منطقة المحيط الأطلسي لإزالة استجابة الكابلات الاختبارية ونموذج O/E.
  2. تعديل المصدر البصري مع إشارة الترددات الترددية من ناتج VNA.
  3. إربط الضوء المُعدّل إلى الـ دي تي الناتج الكهربائي للمستقبل يذهب إلى مدخل VNA
  4. Measure S21 over the frequency range of interest (e.g., DC to 50 GHz for a 50 Gbaud receiver).
  5. The -3 dB bandwidth is the frequency at which the response drops by 3 dB relative to the low-frequency value.

ضمان بقاء عمق الضبط البصري صغيرا بما يكفي لتشغيل جهاز الاستقبال في منطقة خطية؛ وإلا فإن النطاق الترددي المقيس قد يضيق اصطناعيا بسبب الضغط.

تحليل الشكل

ويصنف الرقم القياسي (NF) معدل التدهور في نسبة الإشارة إلى الأرقام التي يسببها جهاز الاستقبال، وكثيرا ما يُعبر عن التدفق الكهربي للكهرباء الوطنية كرقم ضوئي كهربائي (د ب) باستخدام الكثافة الحالية للضوضاء المُشار إليها بالمدخلات (pA/Hz).

  1. ربط مصدر ضوضاء معارّب (مصدر بصري مع الضوضاء النسبية المعروفة، أو معيار ضوضاء حرارية) بالمستقبل.
  2. قياس ناتج الضوضاء الكهربائية باستخدام محلل طيف (في وحدات من الديموغرافيا/هرتز).
  3. اسحبي مساهمة الضوضاء المعروفة المصدر لاستخراج ضوضاء جهاز الاستقبال الخاص
  4. قم بتعطيل الطاقة الضوضاء إلى الضوضاء المُشار إليها بالمدخلات ثم حاسب الـ إن إف باستخدام الصيغة NF = 10 لوجّات (أي إتش إتش 2)

وبالنسبة للمتلقين المتماسكين، يشمل الرقم الضجيج المساهمات المقدمة من محرري الصور، والمنظفين المحليين، ومضخمات الترميز، وكثيرا ما يقاس باستخدام إشارة مرجعية معيرة وجسر للنسخ الضوئي.

الطول وضغط الغاز

عدم التقادم في مظهر من متلقي البيانات على أنها تشوهات متجانسة ومنتجات غير مقصودة، وهناك مقياسان مشتركان هما نقطة الضغط 1-dB (P1dB) و نقطة اعتراض من الدرجة الثالثة (OIP3) .

  1. استخدمي نغمتين بصرية مطوّرة عن كثب من زوج من الليزر أو ليزر واحد مع مرشد خارجي يقوده طنان من RF (f1 و f2).
  2. أدخل إشارة الاثنتان إلى جهاز الاستقبال وقياس الناتج الكهربائي باستخدام محلل طيف RF.
  3. تسجيل النغمات الأساسية ومنتجات الخلط بين المواد من المرتبة الثالثة (2f1-f2 و2f2-f1).
  4. Plot the fundamental and intermodulation power vs. input optical power (or RF drive power).
  5. Extract OIP3 and P1dB from the plots.

ومن الأهمية بمكان أن تكون هناك درجة عالية من التسلسل في نظام PAM4 لأن مستويات الكمود الأربعة يجب أن تُوضع على قدم المساواة، فالضغط أو عدم الترميز يتسبب في فتحات عين غير متكافئة وفي زيادة الأخطاء، وعند تحديد خصائص أجهزة استقبال PAM4، من المستصوب قياس جهاز الإرسال والاستقبال معا كوصلة، ولكن بالنسبة للخصائص على مستوى العنصر، فإن اختبار الركيزتين معيار واقعي.

التكييف المتقدم: متلقي متجانس و PAM4

وتعتمد الشبكات البصرية الحديثة بشكل متزايد على الكشف المتسق (يستخدم فيها أجهزة الهجين من 90 درجة وأجهزة تصوير متوازنة) وأجهزة تصوير من طراز PAM4 (قطعتان للرمز الواحد) وتُحدث اختبارات هذه الأجهزة تعقيداً إضافياً:

  • المتلقين المتجانسون: ] يجب أن يميز اختلال التوازن المتأصل في معايير التعريف، والتسامح إزاء الضوضاء، والاعتماد على السلطة المحلية للمفترس، والكسب المعتمد على الاستقطاب، وتستخدم الاختبارات جهاز إرسال متماسك مع العاهات المعروفة، وضبط مظاريف في الوقت الحقيقي لتجهيز الإشارات الرقمية، وتشمل القياسات حجم الخطأ بعد الـ DVM) ومعدل الخطأ.
  • PAM4 receivers:] In addition to traditional sensitivity and bandwidth, PAM4 receivers must be tested for level mismatch, eye symmetry ratio, and transmitter dispersion eye closure (TDECQ) after equalization. Use a PAM4 BERT with built-in analysis that reports the linearity of the four levels and the eye opening at the

وكثيرا ما تتطلب هذه الاختبارات المتقدمة إجراء اختبارات آلية تجمع بين أدوات متعددة خاضعة لبرمجيات تنفيذية اختبارية (مثلاً، نصوص بايتون أو نظام MATLAB) ويوفر العديد من البائعين معدات الاختبار حلولا متكاملة مصممة خصيصا لاختبار إنتاج أجهزة استقبال متماسكة و PAM4.

المسائل المشتركة

وحتى مع أفضل الممارسات، يواجه المهندسون أحيانا نتائج غير عادية، وفيما يلي نقاط ضعف متكررة وكيفية معالجتها.

تحميل واضطرابات في الوقت المناسب

وإذا تعرض جهاز الاستلام لضغط مدخل فوق مواصفات تحميله الزائد، فإن هيئة المراجعة الداخلية للحسابات تشبع، مما يسبب تشوهات في نبضات، وزيادة في وحدات خفض الانبعاثات، وربما إلحاق ضرر دائم، وتشمل المقاييس رسماً قياسياً في العين مسطحاً أو أدنى، وتتحقق دائماً من أن الحد الأقصى للقوى البصرية لدى جهاز الاستقبال لا يتجاوز حدوداً في سجل البيانات، وإذا كان يجب أن تختبر في أعلى من القوى، تستخدم بصرية.

باترند - ابن جانتر

يمكن للمستقبل أن يظهر مُلمّحاً يتفاوت مع نمط البيانات بسبب القيود أو التأملات في نطاق الترددات، وهذا ملحوظ بشكل خاص مع الأنماط الطويلة مثل نظام برو بي إس 31، ولعزل المُتَبَعِّل بالنمط، ومقارنة النتائج بالأموال الأقصر (PRBS7، PRBS9) واستخدام وكالة العاصمة لقياس المقياس الهوتوغرافي، وإذا كانت آثار النمط كبيرة، فإخت في تأخيرات والتفكير في المسار الكهربائي.

القدرة على الاستقطاب

ويمكن لبعض المتلقين، ولا سيما الذين يستخدمون مصممي النماذج الحساسة للاستقطاب (مثلاً، أجهزة استقبال متماسكة متكاملة)، أن يحصلوا على خسارة تعتمد على الاستقطاب أو استجابة تؤثر على الحساسية، وأن يستخدموا جهازاً لمراقبة الاستقطاب لتغيير حالة الاستقطاب، وأن يراعوا التغييرات في التلقي أو فتح العين، وإذا ما كانت الحساسية تراوحت أكثر من 0.5 د.

Electromagnetic Interference (EMI)

وتخضع الدوائر ذات السرعة العالية للكهرباء من المعدات المحيطة، وإذا لاحظتم قراءات غير منتظمة للأجهزة المتفجرة المرتجلة أو الطحالب العالية التردد على ناتج أجهزة الاستقبال، وتحققوا من أرضية جميع معدات الاختبار، واستخدام الكابلات المحمية، وبقيت أجهزة السحب من المحركات والمفاتيح ولوازم الطاقة، ويمكن للقفص الفاراغي حول نظام السحب أن يساعد على عزل جهاز الاستلام عن الإشعاع.

الإنهاء غير السليم والبياز

وبالنسبة للمتلقين الذين يتباينون، فإن استخدام إنهاء غير متوازن أو عدم توفير الفولط العادي الصحيح يمكن أن يؤدي إلى تدهور كبير في الأداء، ويستخدم دائماً مسباراً تفاضلي عالي السرعة أو بالونا مع الاختراق الصحيح (مثلاً، 100 فارق بين 50 كيلوغراماً وواحداً) عند الربط بين أداة واحدة مثل سعر الصرف أو النسيج.

خاتمة

إن اختبارات ووصف أجهزة استقبال بصرية هي تخصص متعدد الأوجه يتطلب اهتماماً دقيقاً لكل من المنهجية والتوثيق، إذ أن من خلال تحديد المعايير الأساسية - الحساسية، وضم النطاق الترددي، والضوضاء، والسريان - ومن خلال اتباع أفضل الممارسات مثل معايرة المعالم، والتحكم البيئي، والوثائق المفصلة، يمكن للمهندسين أن يكفلوا استيفاء التصميمات التي تُستخدم في النظام، والعمل بشكل موثوق به على مدى الحياة المتوخاة.