Trong một liên kết quang 100G hay 800G, chất lượng máy phát được cô đọng vào một hình ảnh duy nhất: giản đồ mắt. Nhưng khác với tín hiệu điện, đo eye quang DCA không phải là chuyện cắm sợi quang vào máy hiện sóng rồi chụp màn hình. Phép đo chỉ có giá trị khi đường thu được lọc đúng theo một đáp ứng tham chiếu do tiêu chuẩn quy định — nếu không, cùng một máy phát sẽ cho hai kết quả khác nhau ở hai phòng thí nghiệm. Bài viết này giải thích kiến trúc máy hiện sóng lấy mẫu và các phép đo trên mắt quang.
Vì sao đo eye quang cần máy hiện sóng lấy mẫu
Một máy hiện sóng thời gian thực bắt trọn dạng sóng trong một lần, nhưng cái giá là bộ số hoá phải chạy ở tốc độ rất cao — kéo theo sàn nhiễu lớn và chi phí tăng vọt khi băng thông vượt vài chục GHz.
Với tín hiệu quang tốc độ cao, bài toán lại có một đặc điểm thuận lợi: dạng sóng cần đánh giá là lặp lại. Giản đồ mắt vốn là sự chồng chập của rất nhiều bit lên cùng một khung thời gian. Không ai cần bắt một sự kiện đơn lẻ; điều cần là thống kê của hàng triệu bit.
Máy hiện sóng lấy mẫu (sampling oscilloscope, dòng DCA) khai thác đúng đặc điểm đó. Kết quả là băng thông rất cao với sàn nhiễu và jitter nội tại cực thấp — hai chỉ tiêu quyết định khi mắt bắt đầu khép lại ở tốc độ cao. Dòng DCA-M của Keysight đạt băng thông tới 60 GHz cho kênh quang và 50 GHz cho kênh điện.
Lấy mẫu tương đương: được gì, mất gì
Kỹ thuật nền tảng là lấy mẫu tương đương (equivalent-time sampling). Thay vì lấy nhiều mẫu liên tiếp trong một chu kỳ, máy lấy một mẫu mỗi chu kỳ tín hiệu, mỗi lần dịch pha đi một lượng rất nhỏ. Sau hàng trăm nghìn chu kỳ, các mẫu rời rạc ghép lại thành một dạng sóng có độ phân giải thời gian cực mịn.
Được: bộ số hoá chỉ cần chạy chậm — máy hiện sóng lấy mẫu DCA-M Keysight N1092D lấy mẫu ở 250 kHz — trong khi băng thông đầu vào vẫn đạt 28 GHz hoặc 45 GHz tuỳ tuỳ chọn. Sàn nhiễu quang dưới 5 µW và jitter nội tại dưới 200 fs rms là những con số mà kiến trúc thời gian thực rất khó với tới ở cùng tầm giá.
Mất: ba điều, và cần hiểu rõ trước khi chọn:
- Bắt buộc phải có tín hiệu đồng hồ. Máy cần biết chu kỳ tín hiệu để đặt pha lấy mẫu. Mặt máy N1092D có ngõ Clock In (đầu nối 2,92 mm) nhận đồng hồ 0,1–32 GHz, mức tối đa 1,4 Vpp. Khi hệ thống không cấp được đồng hồ sạch, cần tuỳ chọn khôi phục đồng hồ (CDR).
- Không bắt được sự kiện đơn lẻ. Mọi thứ không lặp lại — một burst lỗi, một sự cố thoáng qua — đều nằm ngoài tầm của kiến trúc này.
- Cần thời gian tích luỹ. Mắt đẹp là mắt đã gom đủ mẫu; đo vội cho thống kê nghèo.
Bộ thu tham chiếu quang: vì sao bắt buộc phải lọc
Đây là điểm khiến phép đo quang khác hẳn phép đo điện, và cũng là chỗ hay bị hiểu sai nhất.
Nếu bạn đo mắt quang bằng một đầu thu băng thông rộng không lọc, bạn sẽ thấy mọi chi tiết tần số cao của máy phát — kể cả những thành phần mà máy thu thật ở đầu kia của tuyến sẽ không bao giờ nhìn thấy, vì bản thân nó có băng thông hữu hạn. Kết quả là một giản đồ mắt bi quan hơn thực tế, và tệ hơn, không so sánh được giữa các phòng đo dùng đầu thu khác nhau.
Vì thế tiêu chuẩn định nghĩa một bộ thu tham chiếu quang (optical reference receiver — ORR): một bộ lọc có đáp ứng Bessel-Thomson bậc 4 với điểm −3 dB đặt tại 0,75 lần tốc độ ký hiệu. Mọi phép đo tuân thủ đều phải đi qua bộ lọc này. Nhờ vậy, cùng một máy phát đo ở Hà Nội hay ở San Jose đều cho cùng một hình mắt.
Trên thực tế, bộ lọc ORR được tích hợp sẵn trong máy và chọn theo tốc độ ký hiệu — mặt máy N1092D in sẵn các tốc độ lọc như 25,781 GBd, 27,95 GBd và 28,05 GBd cùng chỉ báo TDEC. Điều này có một hệ quả vận hành quan trọng: chọn sai tốc độ lọc thì mọi số đo sau đó đều sai, kể cả khi hình mắt trông hoàn toàn hợp lý.
Các phép đo trên mắt: ER, OMA, mask và TDECQ
Từ giản đồ mắt đã lọc đúng, bốn nhóm chỉ tiêu được rút ra:
Tỉ số tắt (extinction ratio — ER) là tỉ số công suất mức logic 1 trên mức logic 0. ER thấp nghĩa là mức 0 chưa đủ “tối”, làm hao biên độ hữu ích; ER quá cao lại thường đi kèm hiện tượng chirp bước sóng ở laser trực tiếp điều chế.
Biên độ điều chế quang (OMA) là hiệu công suất giữa mức 1 và mức 0. Đây mới là đại lượng quyết định tỉ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu thu — hai máy phát cùng công suất trung bình có thể có OMA rất khác nhau.
Kiểm tra mặt nạ (mask test) đặt một đa giác cấm vào giữa mắt và ở hai biên; dạng sóng chạm vào vùng cấm là trượt. Đây là phép thử pass/fail nhanh nhất trong sản xuất.
TDEC và TDECQ là bước tiến quan trọng nhất của thập kỷ qua. Thay vì hỏi “mắt có mở đủ không”, các chỉ tiêu này hỏi “máy phát này làm mất bao nhiêu dB độ nhạy của một máy thu tham chiếu”. TDEC dùng cho tín hiệu NRZ; TDECQ là phiên bản cho PAM4, nơi ba mắt chồng lên nhau khiến phép thử mặt nạ truyền thống gần như vô dụng. Chi tiết cách tính và các bẫy thực hành được trình bày trong bài Đo PAM4 và TDECQ: từ 53 GBd tới SerDes 224G.
Chọn cấu hình DCA-M
Ba câu hỏi quyết định cấu hình:
- Bao nhiêu kênh? N1092D là bản bốn kênh quang — mặt máy có Ch A đến Ch D, mỗi kênh nhận tối đa 8 mW công suất quang. Bốn kênh cho phép đo song song bốn lane của một module QSFP thay vì cắm lại từng sợi, đây là khác biệt lớn về thông lượng trong sản xuất. Nếu chỉ cần một lane, máy hiện sóng lấy mẫu DCA-M Keysight N1092A là bản một kênh quang và có tuỳ chọn CDR.
- Băng thông nào? Tuỳ chọn 28 GHz phủ dải bước sóng danh định 830–1600 nm, tức bao gồm cả 850 nm đa mode. Tuỳ chọn 45 GHz phủ 1250–1600 nm, phù hợp các tuyến đơn mode tốc độ cao hơn. Máy hỗ trợ tốc độ từ 8,4 tới 64 GBd và làm việc với cả sợi đơn mode lẫn đa mode.
- Bước sóng nào cần chính xác nhất? Máy được hiệu chuẩn tại nhà máy cho các bước sóng 850, 1310 và 1550 nm. Đo ngoài các bước sóng này vẫn được, nhưng độ không đảm bảo của phép đo công suất sẽ lớn hơn.
Khi cần khảo sát phổ của nguồn quang — kiểm tra bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, hay các kênh WDM — giản đồ mắt không trả lời được; đó là việc của máy phân tích phổ quang OSA Keysight 86142B. Hai thiết bị bổ sung nhau: DCA nhìn miền thời gian, OSA nhìn miền bước sóng.
Lưu ý thực hành
- Giữ đầu nối quang sạch tuyệt đối. Một hạt bụi trên mặt ferrule làm suy hao và tán xạ, kéo tụt ER và OMA. Đây là nguyên nhân số một của kết quả đo tồi.
- Không vượt công suất tối đa. Ngõ vào quang có giới hạn (8 mW trên N1092D); vượt ngưỡng là hỏng đầu thu, không phải chỉ là bão hoà số đọc.
- Kiểm tra tốc độ bộ lọc ORR trước mọi phép đo. Sai tốc độ lọc cho hình mắt trông vẫn hợp lý nhưng số liệu vô nghĩa.
- Trừ jitter nội tại của máy. Jitter đo được là tổng hợp của jitter tín hiệu và jitter thiết bị; với dưới 200 fs rms, phần đóng góp của máy nhỏ nhưng vẫn cần tính khi tổng jitter ở mức vài trăm fs.
- Ổn định nhiệt trước khi đo. Laser và đầu thu đều trôi theo nhiệt độ; đo ngay sau khi bật máy cho kết quả không lặp lại.
- Gom đủ mẫu. Mắt và đặc biệt là TDECQ là đại lượng thống kê — số mẫu quá ít làm kết quả dao động giữa các lần đo.
Kết luận
Máy hiện sóng lấy mẫu đánh đổi khả năng bắt sự kiện đơn lẻ để lấy băng thông cao, nhiễu thấp và jitter nội tại rất nhỏ — đúng những gì một phép đo máy phát quang cần. Nhưng thiết bị chỉ là một nửa: bộ thu tham chiếu quang đặt đúng tốc độ mới là thứ làm cho con số đo được có thể so sánh và tuân thủ tiêu chuẩn. Chọn sai tốc độ lọc, bạn vẫn có một giản đồ mắt đẹp — chỉ là nó không nói lên điều gì.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, cung cấp máy hiện sóng lấy mẫu DCA-M, máy phân tích phổ quang và dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình đo mắt quang cho tuyến 100G/400G/800G, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
