EXFO干貨速覽 | 手把手教您如何輕松搞定無(wú)源器件鑒定

  ICC訊 今天，我們可以看到各種無(wú)源光元器件，無(wú)論它們部署在現(xiàn)場(chǎng)、模塊或是臺(tái)式儀表中。以下清單僅僅列出其中的一部分:波分復(fù)用 (WDM)濾波器、可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)、開(kāi)關(guān)、耦合器和法布里-珀羅波長(zhǎng)鎖定器。元器件鑒定是制造、質(zhì)量管理、進(jìn)廠檢驗(yàn)以 及元器件生命后期各個(gè)環(huán)節(jié)的一個(gè)關(guān)鍵步驟。最符合需要的鑒定方法將取決于需要測(cè)量的規(guī)格、關(guān)注的波長(zhǎng)范圍以及目標(biāo)速度、準(zhǔn)確度或 采樣分辨率。

  本文將針對(duì)兩種無(wú)源元器件——濾波器和寬帶元器件——概述要關(guān)注的主要規(guī)格。我們還將討論使用光譜分析儀(OSA)或可調(diào)諧激光光源(TLS)進(jìn)行鑒定的三種常用方法。

IL 、RL和PDL測(cè)量

  元器件的大多數(shù)規(guī)格都可以根據(jù)插損(IL)、回?fù)p(RL)或偏振相關(guān)損耗(PDL)計(jì)算出來(lái)。插損指經(jīng)過(guò)被測(cè)設(shè)備(DUT)的光損耗，通常以分貝(dB)為單位進(jìn)行表示。回?fù)p指被元器件反射的光所占的比例，而偏振相關(guān)損耗指插損在所有偏振狀態(tài)下的最大變化值。IL、RL和 PDL可以是在某個(gè)給定波長(zhǎng)上測(cè)得的單個(gè)值，也可以是在某個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)得的值。

  圖1: 示意圖

  (左):變化函數(shù)測(cè)量(IL vs.波長(zhǎng))。

  (中):使用全狀態(tài)方法在某個(gè)給定波長(zhǎng)上測(cè)量PDL。

  (右):PDL測(cè)量 vs.波長(zhǎng)。

  基準(zhǔn)格式

  IL和RL測(cè)量通常是兩步測(cè)試流程的一部分，用于消除造成損耗的不利因素并確保結(jié)果準(zhǔn)確一致。應(yīng)首先不使用DUT進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)量，然后再使用DUT進(jìn)行測(cè)量。接下來(lái)，我們使用圖2的注解來(lái)詳述適用于IL測(cè)量的一個(gè)基本示例。

  圖2: 兩步測(cè)試流程

  步驟1(左):不使用DUT進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)量。

  步驟2(右):使用DUT進(jìn)行測(cè)量。

  其中:TF1和TF2是光纖耦合器兩端的變化函數(shù)。TFA和TFB分別是光纖適配器A和B的變化函數(shù)。TFDUT是DUT的變化函數(shù)。

  除了DUT的變化函數(shù)外，我們可以看到計(jì)算還包括來(lái)自用于連接DUT的耦合器(TF1和TF2)以及光纖適配器(TFA和TFB)的項(xiàng)目。通過(guò)基準(zhǔn)測(cè)量，我們可以消除這些項(xiàng)目的影響。應(yīng)該注意的是，即使在使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的耦合器時(shí)，基準(zhǔn)測(cè)量也很有幫助，因?yàn)樵擇詈掀鞯淖兓瘮?shù) 可能隨著時(shí)間的變化而變化(如隨著溫度變化)。監(jiān)測(cè)功率計(jì)(Det.2)用于補(bǔ)償光源在測(cè)量期間出現(xiàn)的任何功率波動(dòng)。

  其中: TFfiber是所用光纖在測(cè)量期間的變化函數(shù)。

  最后，可根據(jù)下列公式計(jì)算DUT的變化函數(shù)：

  基準(zhǔn)測(cè)量對(duì)于IL和RL測(cè)量至關(guān)重要。不見(jiàn)得在每次測(cè)量前都需要采集基準(zhǔn)曲線，而是可以每天采集，或在試驗(yàn)設(shè)置或條件出現(xiàn)變化后采集。采用全狀態(tài)方法進(jìn)行的PDL測(cè)量使用相對(duì)功率變化，不能始終都利用先前的基準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果。

  無(wú)源元器件

  濾波器型元器件

  無(wú)論它們是寬帶元器件，如CWDM(解)復(fù)用器，還是單/雙頻段DWDM，濾波器型DUT經(jīng)常有多個(gè)通道，需要為這些通道測(cè)量下面的特性:

  ·這個(gè)波長(zhǎng)處的峰值波長(zhǎng)和IL

  ·波長(zhǎng)偏移 vs. ITU柵格

  · -1 dB、-3 dB和-20 dB寬度

  ·相鄰與非相鄰的隔離度

  ·平坦度和波紋

  · PDL

  · -3 dB和-20 dB之間的邊緣斜率

  圖3: 鑒定100 GHz DWDM解復(fù)用器的第57個(gè)通道

  垂直線代表100 GHz ITU柵格。

  黑色箭頭代表關(guān)注的點(diǎn)。

  藍(lán)色矩形表示的是-3 dB和-20 dB窗口。

  寬帶元器件

  動(dòng)態(tài)范圍較小的元器件(即變化函數(shù)的變動(dòng)較小)包括其它耦合器、開(kāi)關(guān)和衰減器。這些元器件工作的波長(zhǎng)范圍通常較寬，有時(shí)可從O頻段到L電信頻段。關(guān)注的參數(shù)可能包括:

  · IL和IL平坦度

  · 變化函數(shù)的波紋

  · PDL和回?fù)p

  接下來(lái)，我們將概述鑒定無(wú)源元器件的三種不同方法。我們將探討它們的主要優(yōu)勢(shì)和不足之處，并將其與先前所述要求聯(lián)系起來(lái)。

  鑒定方法

  光譜分析儀

  超輻射發(fā)光二極管(SLED)和ASE光源都是寬帶光源，它們可結(jié)合OSA使用以測(cè)量IL。雖然這種方法比較迅速，但由于光源的功率譜密度較低，造成動(dòng)態(tài)范圍比較有限，這很容易會(huì)成為不足之處，尤其是在遠(yuǎn)離光源的中心波長(zhǎng)時(shí)。

  圖4: 使用寬帶光源和OSA進(jìn)行IL測(cè)量的典型配置

  圖5: 使用寬帶光源和OSA鑒定濾波器

  無(wú)DUT時(shí)的基準(zhǔn)曲線(紅色的曲線1，左標(biāo)度)、

  有DUT時(shí)的曲線(綠色的曲線2，左標(biāo)度)

  變化函數(shù)(藍(lán)色的曲線3，右標(biāo)度)。

  此外，OSA測(cè)得的功率與通過(guò)OSA單色儀所看到的功率譜相對(duì)應(yīng)。在DUT的帶寬接近OSA的帶寬，或DUT的斜率接近單色儀的斜率時(shí)，不能忽視單色儀所導(dǎo)致的信號(hào)失真(見(jiàn)圖6)。在測(cè)量濾波器型元器件時(shí)，這些限制尤其重要。

  圖6:信號(hào)和單色儀形狀卷積示意圖。

  此外，在使用OSA時(shí)，很難實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)光源功率，因此必須注意避免在基準(zhǔn)測(cè)量和使用DUT進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果之間出現(xiàn)任何功率漂移。

  總之，這種方法特特別適合對(duì)插損和動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較低的單輸出元器件進(jìn)行插損測(cè)量。利用OSA的寬波長(zhǎng)范圍，我們可以輕松地將多個(gè)寬帶光源結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的寬帶解決方案，提供高分辨率和快速的測(cè)量。

  可調(diào)諧激光光源

  1.一般考慮因素和源自發(fā)輻射影響

  單模(單波長(zhǎng))性質(zhì)以及可實(shí)現(xiàn)高分辨率都是非常關(guān)鍵的特性，使可調(diào)諧激光器成為鑒定元器件不可或缺的工具。然而，有各種各樣的可調(diào)諧激光器，它們的規(guī)格要求差異很大。

  由于具備寬調(diào)諧范圍(最高可達(dá)200 nm)、高分辨率和快速調(diào)諧的速度，因此外腔激光器(ECL)被廣泛應(yīng)用于測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用。另一方面，可使用調(diào)諧范圍通常為2 nm的分布式反饋(DFB)激光器來(lái)進(jìn)行單波長(zhǎng)測(cè)量。這些激光器更加經(jīng)濟(jì)高效，但無(wú)法提供外腔激光器的多 功能性與調(diào)諧范圍，因此不足以進(jìn)行波長(zhǎng)相關(guān)測(cè)量。

  還應(yīng)該考慮所有可調(diào)諧激光器的有源介質(zhì)(激光二極管)內(nèi)出現(xiàn)的源自發(fā)輻射(SSE)。SSE會(huì)造成寬帶光輻射，與激光器疊加起來(lái)。對(duì)于濾波器型元器件(如光纖布拉格光柵或復(fù)用器)，這部分寬帶光噪聲會(huì)通過(guò)DUT的帶通部分，被功率計(jì)檢測(cè)出來(lái)。下圖顯示的是這種情況 如何人為地增加測(cè)得的變化函數(shù)。

  圖7:使用高SSE激光器和低SSE激光器鑒定可調(diào)諧濾波器(左)

  和光纖布拉格光柵(右)的結(jié)果(分別為紅色曲線1和綠色

  低SSE激光器采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的外腔設(shè)計(jì)來(lái)消除這種寬帶輻射，從而進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。激光器信號(hào)與SSE之間的比在技術(shù)資料中通常被稱為信號(hào)對(duì)源自發(fā)輻射噪聲比(SSSER)。在測(cè)量濾波器型元器件時(shí)，較高的SSSER可提供更高的動(dòng)態(tài)范圍。

  2.步進(jìn)式測(cè)量

  使用可調(diào)諧激光器進(jìn)行步進(jìn)式測(cè)量比較簡(jiǎn)單、用途廣且成本相對(duì)較低，因此成為普遍采用的方法。由于使用功率計(jì)而不是OSA，使得檢測(cè)器的數(shù)量可以擴(kuò)展，從而能夠同時(shí)鑒定元器件的多個(gè)通道。
  步進(jìn)式測(cè)量方法在可以進(jìn)行的測(cè)量方面提供很高的靈活性:IL和RL通常使用圖8所示的設(shè)置進(jìn)行鑒定，而PDL可使用偏振擾偏器和全狀態(tài)方法測(cè)量(見(jiàn)圖9)。在完成所有的目標(biāo)測(cè)量后，通過(guò)遠(yuǎn)程方式將激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧到下一個(gè)關(guān)注的波長(zhǎng)。為提高測(cè)量精度，還可以在測(cè)試設(shè)置上增加其它設(shè)備，如波長(zhǎng)計(jì)。

  圖8: 典型的IL和RL測(cè)量設(shè)置

  圖9: 使用偏振擾頻器和全狀態(tài)方法進(jìn)行步進(jìn)式PDL測(cè)量

  波長(zhǎng)分辨率的選擇需要在精準(zhǔn)測(cè)量元器件的目標(biāo)特征和維持合理的測(cè)量時(shí)間之間加以權(quán)衡。經(jīng)常可以使用步進(jìn)式方法來(lái)鑒定CWDM和寬帶元器件，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)分辨率通常大于100 pm。

  然而，在需要更高的分辨率或更寬的波長(zhǎng)范圍時(shí)，步進(jìn)式方法會(huì)變得極其費(fèi)時(shí)。在這些情況下，掃頻測(cè)量會(huì)更加合適。

  3.掃頻測(cè)量

  在掃頻測(cè)量期間，激光器在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)移動(dòng)，觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)一個(gè)或多個(gè)外部?jī)x表，通常為功率計(jì)。由于激光器不會(huì)在進(jìn)行測(cè)量 的每個(gè)波長(zhǎng)上停下來(lái)，因此與步進(jìn)式測(cè)量相比，測(cè)量速度會(huì)大幅提高。以皮米級(jí)分辨率，在100 nm范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，通常需要幾秒鐘的時(shí)間便可完成。在這些設(shè)置中，采樣分辨率和波長(zhǎng)精度取決于觸發(fā)系統(tǒng)，無(wú)論其是否集成了激光器或外部系統(tǒng)。

  一方面，IL和RL測(cè)量設(shè)置與步進(jìn)式測(cè)量設(shè)置沒(méi)有什么不同，可使用圖7所示的設(shè)置進(jìn)行測(cè)量。

  另一方面，PDL測(cè)量需要特別注意，并使用一種不同的方法來(lái)確定PDL。掃頻PDL測(cè)量需要偏振控制器，使用不同的已知偏振狀態(tài)(通常為4 個(gè)或6個(gè)狀態(tài))進(jìn)行連續(xù)掃描。然后，可使用米勒微積分來(lái)計(jì)算PDL。

  圖10: 使用偏振控制器進(jìn)行的典型掃頻PDL測(cè)量

  掃頻測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵方面是與步進(jìn)式測(cè)量相比，對(duì)激光器和功率計(jì)的要求更加嚴(yán)格?？烧{(diào)諧激光器必須能夠進(jìn)行無(wú)跳模掃描(沒(méi)有波長(zhǎng)不連續(xù)性)，而檢測(cè)器必須能夠在短積分時(shí)間和高動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)緩沖大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

  DWDM元器件通常需要皮米級(jí)分辨率，并實(shí)現(xiàn)掃頻測(cè)量的優(yōu)勢(shì)?？稍趲酌腌姷臅r(shí)間里，進(jìn)行分辨率高、精準(zhǔn)的測(cè)量，從而滿足制造環(huán)節(jié)中的高吞吐量要求。

  EXFO解決方案

  OSA和寬帶光源

  EXFO光譜分析儀系列產(chǎn)品包括FTBx-5245/5255和OSA20。它們可以和FTB-2250 / FTBx-2250寬帶光源結(jié)合起來(lái)，使用專用的分析工具來(lái)進(jìn)行透射比測(cè)量。

  激光器——步進(jìn)式測(cè)量

  T100激光器模塊是一款緊湊、可快速調(diào)諧且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，適用于步進(jìn)式測(cè)量。它們可安裝在OSICS平臺(tái)內(nèi)，采用低SSE(高SSS- ER)腔設(shè)計(jì)。

  全頻段激光器(FBL)集成了四個(gè)T100模塊和一個(gè)開(kāi)關(guān)，從而在一臺(tái)19英寸大小的儀表內(nèi)涵蓋從1260 nm至1680 nm的整個(gè)波長(zhǎng)范圍。LTB-8 平臺(tái)和FTBx-1750功率計(jì)可用來(lái)設(shè)置完整的測(cè)試系統(tǒng)。

  激光器——掃頻測(cè)量

  可使用CT440元器件測(cè)試儀或CTP10平臺(tái)來(lái)進(jìn)行掃頻IL-RL測(cè)量。這兩款解決方案都依賴T100S-HP激光器并使用光學(xué)觸發(fā)，在以任何速度進(jìn)行測(cè)量時(shí)都可以獲得較高的采樣分辨率和精度。此外，還可以將多個(gè)可調(diào)諧激光器結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步增加波長(zhǎng)范圍。

  CTP10平臺(tái)最多可容納60個(gè)功率計(jì)，特別適用于高端口數(shù)元器件。可使用CT440-PDL或CTP10平臺(tái)結(jié)合外部偏振控制器來(lái)進(jìn)行掃頻PDL測(cè)量。

  如果您對(duì)上述方案感興趣或有任何問(wèn)題咨詢，歡迎聯(lián)系您已知的EXFO客服專員或者在公眾號(hào)后臺(tái)留言，EXFO會(huì)及時(shí)反饋您的任何需求。