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发布日期: 2021年5月13日

掌握穆勒矩阵法,进行IL-PDL扫频测量

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无源光器件:需要测试什么?为什么?

无源光器件是现有网络基础设施的核心。它们用于在核心网、城域网和接入网中过滤并传输波分复用(WDM)信号。波长选择开关(WSS)、复用器(DWDM、CWDM)、光分插复用器(OADM)和PON滤波器等光器件起到至关重要的作用,必须满足严格的光学规范。因此需要快速可靠地测试这些光器件。与此同时,5G和光子集成电路(PIC)等新技术不断发展,造成环形谐振腔等新型无源器件持续涌现并变得越来越复杂。

在研发和生产过程中,评估无源光器件的光学特性极其重要,首先要测量两个关键的光学参数,即插损(IL)和偏振相关损耗(PDL)。IL表示被测器件的光损耗,而PDL则用于量化入射到器件上的光偏振状态发生改变,导致损耗出现的变化情况。

对于与波长高度相关的WDM器件来说,必须以很高的分辨率来测量IL和PDL随波长的变化情况,从而获得准确的分析参数,用于在验收测试报告里进行通过/未通过分析,这些参数包括:

  • 中心波长
  • 偏移 vs.栅格波长
  • 中心波长和栅格波长处的IL
  • 中心波长和栅格波长处的PDL
  • 带宽
  • 通带波纹
  • 隔离度(相邻与不相邻)

Figure 1. Schematic representation of common analysis parameters used for WDM filter analysis.
图1:用于WDM滤波器分析的常用分析参数示意图。

采用穆勒矩阵法,进行4态IL-PDL测量

四态穆勒矩阵法已成为对WDM器件进行IL-PDL扫频测量的行业标准。该方法使用偏振状态发生器或偏振控制器产生4种不同偏振状态,然后连续测量光器件在这些偏振态下的插损。穆勒矩阵法可以获得非常精准的测量结果,在很快的测量范围内实现皮米级分辨率,并同时保持很快的测量速度,因此得到广泛认可。穆勒矩阵法还具有很好的可扩展性,既可以测量只有少量输出端口的器件,也可以测量有100多个输出端口的器件。

EXFO的CTP10 CT440是两款器件测试仪,可与T100S-HP可调谐激光器相结合,组成完整的IL-PDL扫频测量解决方案,使用穆勒矩阵法进行测量。

Figure 2. Swept IL-PDL measurement of a 6 channels 100 GHz DWDM mux/demux performed with the CTP10 test platform. Measurement parameters: 1530 – 1620 nm wavelength range, 1 pm sampling resolution, 100 nm/s laser sweep speed. The total measurement time was 12.5 seconds.

图2:使用CTP10测试仪,对6通道100 GHz DWDM复用器/解复用器进行IL-PDL扫频测量。测量参数:波长范围1530-1620 nm,采样分辨率1 pm,激光器扫描速度100 nm/s。总测量时间为12.5秒。

应对复杂难懂的PDL扫频测量问题

尽管穆勒矩阵法是最常用的IL-PDL测量方法,但人们对它的了解不够深入全面,且普遍存在错误认识。这有时会导致测量配置或IL和PDL计算方式存在缺点,进而影响IL和PDL结果的精准度。根据经过认证的参考测量值对PDL结果进行实验验证非常困难,很难精确指出这些缺点,有时甚至会导致可疑结果多年都未被发现。

准确可靠地测量PDL的三点提示:

  1. 将偏振态与波长之间的相关性考虑在内。
    在使用外部偏振控制器时,我们很容易在开始扫描时就设置所需要的偏振状态,并想当然地认为输出偏振在整个激光器扫描的波长范围内保持不变。但实际情况并非如此,偏振状态发生器或偏振控制器始终都会显示出波长相关性,必须将其考虑在内,以获得最精准的PDL测量结果。

  2. 采用系统方法而不是个体的方法。
    将测量系统作为一个整体并据此评估测试解决方案的性能非常重要。每一种仪表的规格都根据其自身的情况而定,但可能不会自始至终都真实地反映出完整的扫频测量解决方案的性能如何。例如,我们可以了解检测器的本底噪声,但在评估整个系统的性能时,更重要的问题是IL动态范围如何。

    如果定制的测试解决方案使用来自多家厂商的仪表,那么评估其规格就取决于最终用户,这项任务即便有可能完成,那也很具挑战性。这通常会导致性能测量结果出现问题。另一方面,完整的IL-PDL测试解决方案更有可能在本地集成所有的功能和最佳实践,以便马上就可以执行精准的测量。

  3. 验证PDL精准度。
    PDL精准度是PDL测量结果的主要质量指标,但这一点经常被忽视。WDM光器件的PDL值通常仅为十分之几dB,因此更加需要精准度很高的测试解决方案。通过实验来评估或验证测量系统的PDL不确定度困难重重,这也突显了需要有明确的测量规范,才能获得可靠的测量结果,而不需要进行假设。

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