如何用全波段測試法優化光器件性能

通信界的最近進展主要集中于城域網和接入網，因為它們可以解決存儲局域網絡(SAN)、視頻點播(VOD)、高清晰電視(HDTV)、智能家庭、遠程會議等應用所帶來的帶寬危機。

新型的光纖已經能夠傳送整個光通信波段，包括O波段、E波段、S波段、C波段、L波段以及U波段，同時網絡業務提供商正在規劃未來5年的投資。

用在這些新的應用中的光器件各有不同，測試方法也互有差別，但在大部分情況下這些方法都未實際使用。現在光器件的產量不斷飆升，所以必須研究更為切實的測試方法。在同一個測試平臺上測量光器件在整個波段內的性能就是個很好的方法。全波段測試的結果可給網絡服務提供商提供保證，讓他們可以對未來的無源光網絡(PON)、粗波分復用(CWDM)網絡進行優化，且向下兼容。

在PON網絡中有兩種主要的無源光器件。一個是波分復用器/解復用器，另一個是1×N或者2×N的光分路器，其中N可以是4、8、16或者32。波分復用器/解復用器可以用在“三工器件”(triplexers)中，以該器件為例，其主要功能是將PON網絡中三個波長的光信號進行分離、合路，這三個波長分別是1310nm、1490nm和1550nm。

由于這些器件用在PON網絡的不同位置，因此對他們的測試要求也不同。例如，要求波分復用器/解復用器(光濾波器)滿足不同通帶之間要有足夠的隔離度，而對1×N或2×N的光分路器的期望是光分路比在各個光波段盡可能一致。盡管對這些器件的要求不同，但是人們還是希望能夠了解這些器件對整個光譜的響應。ITU-TBPON標準G.983就對此作出了陳述，要求所用光器件至少標出在兩個光波段下的指標，這兩個光波段是1260nm~1360nm波段和1480nm~1580nm波段，這兩個波段分別在光網絡終端(ONU)和光線路終端(OLT)中使用。

對于光功率預算來說，有個大家熟知的參數就是1dB余量，對于PON網絡而言這就意味著它額外所能延伸的距離和覆蓋的范圍。例如，在1310nm波段，光纖的損耗是0.35dB/km，那么多1dB的額外損耗，就意味著網絡的延伸范圍要減少2.8km。在一些情況下，它會嚴重影響通信基礎設施的潛在收益。因此，精確測定PON網絡中光器件的參數已經變得十分重要了。

圖1.一個1×32路的光分路器的典型測量結果

圖1a是插入損耗(IL)測試結果，圖1b是偏振相關損耗(PDL)測試結果。從圖中可以看出，在很寬的波長范圍內，插入損耗的測試是比較容易實現的，而偏振相關損耗(PDL)的測試卻不是那么簡單。

圖1a和1b分別給出了插入損耗(IL)測試和偏振(極化)相關損耗(PDL)測試，測試了一個1×32路的光分路器的各個輸出端口。從測試結果我們可以看出這個器件在各個波長處所呈現的一致性情況。盡管大多數器件制造商已經擁有在較寬波段內測試插入損耗的技術，但是并不一定意味著他們能夠完成全波段下偏振相關損耗的測試，PDL的測試往往只是針對少數幾個波長完成的。這會導致在全波段環境下使用時，人們容易低估PDL的不一致性。

現在，粗波分復用(CWDM)網絡已經廣泛應用到存儲局域網絡(SAN)以及城域網絡建設之中，人們認為它是一種“低成本的CWDM”技術。盡管人們還在討論CWDM器件制造起來是否真的便宜，用于CWDM的波長配置標準卻僅定義了16個波長，這會限制實際使用的波長數，而且也限制了更新，反過來會影響系統維護的成本。

最常使用的是4波、8波光器件，這些光器件需要在1460nm~1620nm波長范圍內，依據實際配置(可能是S波段、C波段或者L波段)進行測試，測試的光譜寬度是100nm~160nm。對于16波的光器件，就需要在1260nm~1620nm波長范圍內進行測試。由于濾波器需要保證對相鄰信道的隔離度至少是45~55dB，因此不容易找到兩全其美的測試方法，也就是既能保證寬的光譜范圍，又有大的動態范圍，而且波長和損耗測試都很準確的方法。CWDM或PON系統中，器件測試要求達到的精度是50pm或者取樣分辨率精度為100pm就足夠了，而對DWDM卻是5pm。同DWDM網絡相比，盡管PON網絡和CWDM網絡對波長精度的要求不是那么嚴格，但是對損耗測試精度的要求卻十分嚴格。@@@@@@@@@@

人們希望CWDM或者DWDM器件在不久的將來能夠集成到PON網絡中，這樣可以增大接入網的帶寬。這需要了解器件在所有波段的特性。通常情況下，人們使用以下3種方法中的1種或者幾種結合起來對絕大多數無源光器件進行測試。

圖2.8通道光器件在1260nm～1630nm區域內測得的插入損耗和偏振相關損耗。

離散多波長測試法。這種測試系統主要包含1個或者幾個激光器光源以及光功率計、光回波損耗儀、擾偏器。測試時，使用光開關來切換各個光源同儀表之間的連接，切換過程是自動化的，能夠提升整個系統的測試效率。但是，這種方法測試的結果不能反映被測器件的詳細光譜特性，只能被認為是“若干點”的測試結果。

寬譜光源加光譜儀測試方法。損耗測試系統可以看作是一個線性系統，也就是說被測器件(DUT)可以被放置到光源和光探測器之間的任何一個地方。采用光譜分析儀(OSA)結合寬譜光源，那么被測光器件可以直接放在光源和光譜儀之間。這種方法的缺點就是一次只能測試一個端口，如果被測器件是1×16的CWDM器件或者1×32的光分路器，就需要分別對這16或者32個端口進行全波段測試。此外，由于光譜儀不容易測試偏振相關損耗，所以如果需要測試PDL的話，還需要再增加一套測試系統。這種測試方法有不少缺點，比較突出的是，同一個被測器件，每次測量需要連接兩次，此外還要處理大量的測試結果。在測試光器件的回波損耗(ORL)以及方向性時，同樣會遇到這些問題。目前商用的光譜分析儀(OSA)已經能用于C波段以及C+L波段，但對目前市場新出現的不少無源光器件卻顯得有些不足了。

為了評估這些測試方法的效率，我們以測試一個8通道的CWDM無源光器件的插損(IL)為例來估算一下測試時間。首先，為了測定每個通道的損耗，我們需要掃描8次。接著，為了測量各個通道之間的隔離度(以前稱為“串擾”)，測試時需要調寬光譜儀的波長分辨率來提高測試動態范圍，再至少掃描8次以上。因此，僅測試這一個光器件的插入損耗特性就需要花費10分鐘的時間。這會給器件的生產成本帶來較大影響，尤其是PDL、ORL這些指標也需要類似的測試時間。因此，當大批量生產這些器件的時候，測試時間便成為瓶頸。

波長掃描法，也稱為(光)頻率掃描法。這是一種令人關注的方法，通常被稱為“波長掃描法”，系統中有多個光探測器。也有人稱前面介紹的采用寬譜光源加光譜分析儀的測試方法為波長掃描法。不同的是現在介紹的這個方法是產生一個波長可以連續變化的單波長(單頻)光信號，送到被測器件，變化光波長和偏振態，檢測器件輸出光的功率。采用一個光探測器就可以測試光器件的響應，這樣就可以確定插入損耗、偏振相關損耗以及回波損耗等參數。

這種測試方法通常使用可調諧激光器，它的波長可以連續變化;需要測量PDL時，加上偏振控制器就可以了。如果測試系統中集成了多個探測器，這最好不過了，掃描一次就可以測量出全部信道的參數。這樣可以加快多端口光器件的測試過程。提高測試速度的最終辦法就是系統中要有消偏振的掃描光源、偏振分集接收探測器(每個極化方向對應一個光探測器)。例如，測試一個32通道的光器件，就需要128個光電探測器，32個用于分離偏振態的光路，此外還有相關的電路。這會造成系統很復雜、昂貴，沒有商用價值。

單個可調諧激光器光源(TLS)波長變化的范圍只有100nm~150nm，不超過200nm;所以現今使用的系統，全波段掃描是通過控制一個或者多個可調諧激光器光源來實現的。當系統要處理寬的光譜范圍時，需要數據處理接口搜集處理相關信息。這樣下來使得系統復雜度增大。O波段的測試目前是個難題，因為只有很少的可調諧激光器光源可以覆蓋這個波段;所以，能勝任C波段和L波段以外波長范圍的測試的系統還很少。目前，完成一個8通道CWDM光器件插入損耗的測試，需要幾秒鐘，如果還需要測試偏振相關損耗的話，則需要10分鐘左右。

因此，如果能獲得8通道器件在整個光通信所用光譜范圍內的參數，那將是很具有誘惑力的。因為這樣可以通過使用原來通道所相鄰的1271nm~1451nm波段范圍，將系統升級到16通道的CWDM。但是，圖2中所顯示的這個8通道的器件，其特性就不能滿足這個升級需求。

一種折衷方法

正如前文介紹的一樣，僅用一套測試系統無法完成所有測試，在整個光通信所用光波段內詳細分析無源光器件的特性是很麻煩的，除非全波段測試系統出現。

兼顧考慮測試時間和系統復雜度這兩個方面，最好的折衷方案是使用一個超寬帶的可調諧掃頻激光器、偏振控制器，再加上若干偏振敏感度低的光電探測器。這樣搭配出來的系統，其主要特點是測試耗時少。若該儀器采用全波段可調諧激光器，配合能高速同步的探測器陣列;那么它從1260nm到1630nm僅掃描一次，就可以提供快速的、明了的測試結果。例如，測試一個8通道的CWDM器件的插入損耗，10秒鐘即可完成;對于32端口的光分路器，完成插入損耗測試、偏振敏感度測試也不超過1分鐘。

此外，為了給基于Mueller矩陣法的PDL測試系統提供統合適的偏振態，測試中需要使用偏振態控制器(光纖卷)，做全態PDL測量時，還需要用擾偏器。全能型全波段測試儀不需要和其他儀器切換，就可以在整個光通信波段實現多通道的IL、ORL以及PDL測試，這就大大提高了測試速度。

盡管這類儀器幾乎可用于所有的無源光器件的測試，但是由于它處理的波長范圍只有400nm，因此更適用于FTTx以及CWDM這類應用。圖1、圖2所示就是這個測試儀的測試結果。

相關標準問題

目前無源光器件的測試參照哪些標準?從技術的角度看，這主要受制于可調諧激光器和光探測器。由于FTTx和CWDM技術的演進，像國際電聯(ITU)，以及國際電氣協會(IEC)等國際組織目前都在致力于研究和投票表決這些新提出的標準。在更寬的波譜范圍內測試IL、ORL、PDL以及其他一些重要參數，根據器件的類型，這個波譜范圍可以從O波段直到U波段;而對測試的要求正在向全波段發展。

實際上，人們心目中希望的測試系統要能夠用于單模光纖的整個通信“窗口”(包括O波段、E波段、S波段、C波段、L波段以及U波段)，在1260nm~1630nm范圍內能測試光器件損耗以及偏振，既能測與傳輸相關的參數，也能測試與反射相關的參數——就是實現所謂的“全波段”測試。