在无源器件测试中从“全损耗”测试转向“全参数”测试

在无源器件测试中从“全损耗”测试转向“全参数”测试

     (华强电子世界网讯) 光密集波分复用(DWDM)网络目前的发展方向，特别是实现更高的信息速率(10Gbit/s, 40Gbit/s及以上)及转向更密集的信道间隔(25Ghz及以下)，给无源光器件测试带来了新的挑战。调制速率较高的传输系统要求损耗和色散较低的光器件。更密集的信道间隔要求频谱损耗倾斜更急剧的光纤，这些急剧的损耗倾斜可能会导致急剧的色散倾斜。
    
     本文概括了当前的无源光器件测试解决方案，其中描述了各种测试参数及测量中的挑战。大多数测试参数可以分为两大类中的一种，即损耗和色散。本文介绍了测量光器件色散的新方法 – 扫描零差干涉计。我们讨论了这种新方法在测量当前最苛刻的器件中的优点，同时对在“全参数测试”中采用这种技术提出了相关的建议。在“全参数测试”中，将以最高的精度同时测量损耗参数和色散参数。
    
     简介
    
     由于DWDM的问世，光纤网络技术已经实现了重大飞跃。今天，随着网络速度转向40Gb/s，信道间隔降低到25 GHz及以下，信号的时域特点正变得越来越重要。结果，必须规定现代光器件的频谱损耗和偏振相关损耗、群时延和差分群时延。
    
     由于窄信道损耗特点会产生急剧的色散特点，波长选择器件给当前使用的确定色散特点的方法带来了巨大的挑战。因此，精确地检定这些器件要求使用高精度、高分辨率和动态范围大的测试方法，来测量损耗和色散。为适当地满足这种需求，我们的新方法把测量损耗的、噪声输出低的可调谐光源与测量色散特点的扫描零差干涉计结合起来。通过使用零差干涉计，可以测量通过被测器件的相位时延，确定群时延和差分群时延。
    
     在本文中，我们将详细探讨测量技术从全损耗测试到全参数测试的转换，包括试验结果。
    
     无源器件测试和40G网络的发展道路
    
     可以通过不同的方式，满足在一条光纤上提供更高带宽的需求。首先，可以部署额外的波长频带，来提高频谱带宽。第二，越来越多的信道可以挤到一个频带上，进而降低信道间隔。第三，每条信道可以以更高的速度调制，10 Gbit/s和40 Gbit/s是高速度的代名词。部署40 Gbit/s网络给系统供应商、网络设备制造商和元器件制造商带来了挑战，进而也给测试和测量系统带来了挑战。
    
     在更高的数据速度和更窄的信道间隔上，除损耗外，信号的"运行时间"特点变得非常重要。根据经验，位周期的1/10是系统可以接受的时延(或色散)。例如，40 Gbit/s的位周期是25 ps，因此2.5 ps是可以接受的系统时延。但是，一个系统包含许多器件，因此每个器件导致的时延必须更小。在实现40 Gbit/s网络中，前向纠错、色散补偿、专用光纤和数字后期处理等新技术至关重要，因为这些方法可以为无差错地传输数据提供额外的余量。但是，无源器件处于网络的前线，对网络性能至关重要。因此，必须为器件测试开发新技术。
    
     大多数无源器件路由光线或丢掉部分光线。除色散特点外，这些器件损耗性能下降是不可以接受的。在高级网络中，如果不能达到四个关键参数规范，即插入损耗、偏振相关损耗、群时延和差分群时延，器件可能会导致系统代价甚至失效。测试所有这些参数的能力在无源光器件中至关重要，如光纤光栅、阵列波导光栅(AWG)和分插模块，特别是在10和40 Gbit/s时。
    
     在传统上，损耗和色散测量是分开处理、并通过不同的解决方案来完成的。必须从根本上转变测试仪器，满足转向全参数分析的不断变化的测试需求。对高级网络，测试和测量必须精确地检定所有相关器件参数，而不是有限的参数子集或一个参数。
    
     测试无源器件的损耗
    
     业内一直在测试光器件的损耗。对波长相关器件，如光滤波器、复用器等，频谱损耗指标决定着高阶参数，而这些参数则决定着光滤波器的质量，如滤波形状、带宽、串扰或通带波纹。损耗仍是需要测量的最重要的参数。
    
     无源器件路由、重定向或阻塞光信道，典型器件包括光纤布拉格光栅、薄膜滤波器和阵列波导光栅。由于其主要用途是路由波长，必须精确地检定其频谱损耗特点。今天，这通常通过结合使用可调谐激光器方法和功率计来完成。
    在历史上，人们一直使用宽带光源和光谱分析仪(OSA)测试DWDM器件。为实现更高的动态范围和分辨率，业内已经进行了大量的研究工作，以使用可调谐光源作为测试激励装置。
    
     今天，源自发辐射(SSE)大大降低的可调谐激光器已经投入商用市场。信号与总SSE的比率已经改进了30dB以上 (与典型可调谐激光器的SSE相比)，可以用简单的宽带功率计代替波长选择接收机，如OSA。图1和图2说明了在使用功率计作为接收机时，与标准设计相比，SSE低的激光器改进的量程。
    
    

    
    
    
     测试无源器件的偏振相关损耗
    
     由于偏振在光学网络中并不是固定的，因此偏振相关损耗或PDL正变得日益重要。PDL表示偏振对光器件损耗特点的影响。光滤波器的高阶参数，如带宽、通带波文或串扰，也与偏振相关。为全面进行分析，必须包括偏振影响。在检定器件时，PDL已经成为标准指标。
    
     典型的PDL设置使用光源(如果在波长上测量PDL，则使用可调谐光源)、偏振控制器、被测器件(DUT)和光功率计。将改变偏振状态，进行一系列测量，评估器件与偏振的相关程度。
    
     有两种PDL测量方法，即确定性测量方法和不确定性测量方法。确定性方法从米勒矩阵或Jones矩阵中推导出器件的PDL，通过在一套规定的输入偏振状态上测量DUT的传输特点，可以获得米勒矩阵或Jones矩阵。相比之下，非确定性技术测量在大量的输入偏振状态上通过被测器件(DUT)的最小和最大传输功率。
    通过使用“偏振扫描”技术，被测器件要经过所有偏振状态，然后使用功率计测量传输功率。可以直接测量通过DUT的最大和最小传输功率。然后计算偏振相关损耗，即最小传输功率与最大传输功率之比。
    
     偏振扫描技术适合在少量波长上测量PDL，因为要在每个波长上单独进行扫描。让DUT经过所有偏振状态是不可能的，因为只能近似达到无穷大的数量。在实践中，将以适合功率计平均时间的扫描速率，生成大量的偏振状态。通过提高测量时间，可以在更多的偏振状态上测量通过器件的传输功率，降低PDL测量的不确定性。但是，在某一点上，提高测量时间并不能明显改进测量精度。
    
     米勒方法属于确定性PDL测量方法，它通过使DUT仅经过四种、但是是四种众所周知的偏振状态，来确定PDL。如果必须在整个波长范围内以高分辨率测量PDL，这种方法的优点尤其明显。这四种偏振状态通常是LHP (线性水平偏振)、LVP (线性垂直偏振)、L+45 (线性+45度)和RHC (右手圆)。米勒矩阵系数得到平均插入损耗、最小和最大传输功率，进而得到PDL。可以在波长上测量传输功率时使用米勒方法，其中在四种偏振状态的每种状态上，将记录波长上的传输功率。因此，对大量的波长点，米勒方法可以在非常短的时间内获得精确的测量结果。
    
     图3说明了WDM滤波器的PDL测量，它是使用偏振扫描和米勒方法测得的。尽管它们基于不同的方法，但在理想状态下，这两种方法应得出相同的测量结果。在滤波器的通带中，在大约1534.2 nm的波长上，器件的PDL值很小，约为10mdB。这两种方法都演示了它们能够测量低PDL值，波长测量结果的一致性也非常好。在选择相应的方法上，测量时间成为关键指标。
    
    
    
    
     由于该方法的确定性特点，米勒方法要优于偏振加扰方法。米勒方法允许进行偏振分辨测量。在集成光器件中，如阵列波导光栅中，存在两种基本的传播模式，一般称为TE模式和TM模式。这些模式与偏振的两种正交状态相对应。可以在这两种基本模式中分辨拥有其它偏振状态的光波信号。可以分析使用PDL测量获得的结果，得出两种基本模式时的频谱损耗。此外，可以确定偏振控制器必须设置的两种偏振状态，以耦合到这些模式中。由于米勒方法使用已知的偏振状态，因此可以以矩阵形式描述损耗和偏振变换，使得这一点成为可能。
    
     测试无源器件的色散
    
     在高速光通信网络中，信号的“定时”特点或信号成分变得非常重要，因此必须精确地检定光器件的色散特点。可以使用专用光纤或器件在一定程度上管理或补偿色散，但要求采用精确的设计方案，以实现最低的色散，精确地检定所有器件。
    
     我们已经知道有三种色散现象会展宽数字脉冲，而降低光纤系统的性能。在每种色散现象中，信号的各种成分到达时间不同会导致问题，包括空间模式、颜色或偏振模式。
    
     由于光分到不同的空间路径中，每条路径具有不同的长度和不同的到达时间，会发生模色散。这会导致脉冲展宽。这只影响着多模系统。由于大多数网络采用单模光纤(短程网络除外)，这种色散效应可以忽略不计。
    
     在折射系数随着波长变化、进而导致群传播速度变化时，可以观察到色散。色散(CD)源自单模光纤的波导特点和材料特点。不同波长的群时延变化会使信号的不同频率成分延迟不同的量，在光脉冲沿着光纤传送时，会使光脉冲展宽。
    
     在专用光纤或器件补偿色散时，偏振模色散 (PMD)已经成为限制高速系统的一个因素。正交偏振状态之间的传播速度差异会导致脉冲展宽。
    
     应该指出，在无源器件中，器件本身的结构会引起色散。在复杂的器件结构中，如多层薄膜或AWG中，可能会存在多条路径，增加各种路径取决于干涉的相位，这样，综合“有效路径长度”可能会取决于波长。
    
     今天，调制相移(MPS)是测量色散的标准方法。CW光波源通过高频正弦波进行辉度调制。调制的光信号通过被测器件传送，通过接收机解调。将测量