前言

隨著網際網路的發達及資訊流通速度越來越快，對於通訊系統頻寬的要求也越來越大。從遠古時期人類使用狼煙、旗號，一直到二十世紀的銅纜通訊，資訊傳輸速率也由每秒數比特（bit）增加到現在的GbE（Gigabit Ethernet；每秒十億位元乙太網路）。資料速率越高，伴隨而來的技術層次也從傳統數位電路設計導入射頻甚至微波的觀念而越複雜。幸好二十世紀中末期發展出來的光纖通訊，解決了電氣通訊大部分困難的技術問題。

在高傳輸容量的通訊網絡中，系統穩定性及可靠度是除了高速傳輸以外最重要的特性。光纖通訊的優勢在於除了高頻寬以及前述的特性之外甚至是訊號完整度，都是目前其他技術無法取代的。以目前的科技來說，並非完全無法利用其他技術來取代光在高速數位通訊的地位，而是若要達成相同的結果，則其他技術所需付出研發或製造成本，將遠遠高於利用光通訊來進行資訊流通。

一個基本的光纖通訊架構如(圖一)所示，包含了：電－光轉換器（E/O converter；雷射二極體或發光二極體，負責將電子訊號轉換成光波調變訊號）、傳遞光波訊號的光纖以及在光纖通路終點的光電轉換器（O/E converter；光接收二極體，將接收到的光訊號解調成電子訊號並由後級電子電路作後續處理）。

《圖一　光纖通訊基本架構》

在光纖通訊系統中，並不用光訊號來做任何的運算或是編解碼。這些訊號處理的工作利用數位訊號處理器（DSP）或是一些特殊應用IC（ASIC）以電子訊號來完成。實際上，光只負責將處理（調變）過後的訊號完整的傳輸到遠處的接收端。若要將電子訊號轉換成光訊號或重新將來自接收端的光訊號轉換成網路設備可用的電子訊號，就必須要使用光收發器Optical Transceiver。

依據PIDA對於台灣光通訊產值從1999年到2003年的估計，2000年光主動元件成長率119％。而台灣業者自2001年起，投入光收發模組的廠商有如雨後春筍。對於相關測試設備及資訊的需求也大幅增加。以下就針對光收發器的測試說明。

光收發器（optical transceiver）的測試分為兩方面：光發射器（transmitter；Tx）及光接收器（receiver；Rx）。

光發射器（Tx）

(圖二)是光發射器Tx測試基本架構。基本上，光發射器的工作是將電子訊號轉換成光訊號，因此需要有一產生偽隨機碼（PRBS）數位波形產生器將電子訊號送給光發射器，再利用寬頻示波器（Wide Bandwidth Oscilloscope）及光功率計量測其參數。

《圖二　光發射器測試架構》

光發射器所需測量的參數大致上可分為七項：上升時間（Rising Time；Tr）、下降時間（Falling Time；Tf）、顫抖峰值（Jitter；Jp-p）、顫抖均方根值（Jitter；Jrms）、平均功率（Average Power；Pavg）、消滅率（Extinction Ratio；Er）、波罩測試（Mask Test）。

上升時間與下降時間

數位訊號由零準位上升到壹準位的時間或由壹準位下降到零準位的時間。通常是以壹準位的10％～90％作為量測的依據，也有規範規定20％～80％。此量測值越短越好，以免過慢的上升時間或下降造成對下一個時脈的資料出現干擾。

顫抖

也就是數位訊號因時脈隨不穩定而造成上升緣或下降緣出現相位誤差的現象。在數位通訊領域中，顫動的量測值越接近零代表訊號在時脈上的完整度越佳。

平均功率

在不同的通訊距離有不同的光功率輸出要求。例如以國際光纜達數百公里的廣域網路（Wide Area Network；WAN）、數十公里的都會網路（Metropolitan Area Network；MAN）極短至數百公尺的區域網路（Local Area Network；LAN）。規範的平均輸出功率以廣域網路要求最高，其他則依距離減少而所需的功率越小。

消滅率

是眼圖壹位準和零位準的比率，其計算公式如下(公式一)：

《公式一》

消滅率是用來表示雷射或發光源的效能。假設有一個雷射在不同的偏流下工作如(圖三)，依照以上公式可以得知圖三上方的雷射ER值較高，也就是該雷射的操作效率較好，只需利用較少的能源消耗，便可達到同樣的傳輸效果。簡單來說，消滅率數值越大，雷射的效率越高。以系統角度而言，較高的消滅率帶來較低的誤碼率（BER）。換句話說，ER值越高，維持相同誤碼率所需的消耗功率就越低。

《圖三　不同工作偏流下之消滅率》

波罩測試

所謂波罩測試是為了辨別光發射器的眼圖量測是否符合規範的一致性測試。對於不同的資料速率（Data Rate）有不同的波罩。波罩分為上中下三部分，形狀依不同規範而不同，例如SDH/SONET及乙太網路的矩形及六角形。另外，速率超過10Gbps的通訊系統採用的返回零（RZ）訊號，也有不同於非返回（NRZ）零訊號的波罩，如(圖四)及(圖五)。

《圖四　STM16/OC48非返回零（NRZ）波罩》

《圖五　返回零(RZ)訊號波罩》

光接收器（Rx）

光接收器的運作是將遠端傳來的光調變訊號轉換成電子訊號。在測試的架構方面如(圖六)，需要適當的誤碼率測試儀（Bit Error Ratio Tester；BERT）來量測該接收器運作是否正確將所接收的資料轉換為相對應之電子訊號。由於絕大多數誤碼率測試儀都僅配備電訊號輸出，因此，必須有一標準電－光轉換器，將電子訊號轉換成光訊號，以取代光纖通訊中遠端光發射器傳來的訊號。而此標準電－光轉換器與待測光接收器中間連結的光衰減器乃用來模擬光因為經過長距離傳輸所造成的損耗。

《圖六　光接收器測試架構》

靈敏度

光接收器測試項目最重要的就是靈敏度（Sensitivity）。所謂的靈敏度，定義為當系統誤碼率到達可接受最大上限該點的光平均功率。意思是說若光接收器的輸入平均功率低於靈敏度，則其將光轉換為電的錯誤率將高於可接受的範圍。通常靈敏度可表示成：-38dBm@10E-12，代表當輸入光訊號平均功率大於-38dBm則誤碼率將小於10E-12。量測靈敏度所需的設備包括誤碼率測試儀、光衰減器、光功率計及標準電光轉換器。

進行光接收器靈敏度量測時，必須同時觀察誤碼率及調整光衰減量。當衰減量增加使誤碼率到達可容許最大範圍的程度，量測此時光平均功率，即可得到靈敏度量測值。看似簡單的操作，實際上卻有其學問：測試時間長短。

由(表一)可知，以OC-48 資料率（2488Mbps），當要達到95％的信心水平，必須要連續量測二十分鐘不發生任何錯誤，其誤碼率為10E-12。以此規則量測靈敏度，則每增加一格光衰減器刻度都必須等待至少二十分鐘。這種手動方式，僅能用於研發初期階段，若是用於產線測試，則必定大幅提高生產成本、降低競爭力。

《表一　不同速率及不同誤碼率測試所需時間》

小結

本篇光收發器量測系統著重於介紹光收發器測試基本概念。實際上，不同產品有不同的量測技巧及重點，下篇筆者將針對各種生產線自動化測試作介紹。（作者任職於台灣安捷倫科技）