光電器件是光通信系統(tǒng)的核心部分，同時(shí)在整個(gè)光傳輸系統(tǒng)里也占據(jù)非常重要的地位，高速及超高速光電器件相關(guān)技術(shù)也是光通信領(lǐng)域中最具有前瞻性和先導(dǎo)性的領(lǐng)域。作為光通信產(chǎn)業(yè)的核心一環(huán)，基礎(chǔ)芯片和器件的發(fā)展，關(guān)系到中國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，也已成為目前中國(guó)光通信長(zhǎng)足發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。隨著光電器件及芯片自研增加，針對(duì)光電器件測(cè)試將變得日益重要。

目前數(shù)據(jù)傳輸速率成倍增長(zhǎng)，光波傳輸系統(tǒng)變得越來(lái)越先進(jìn)，器件設(shè)計(jì)人員和制造商必須最大限度地提高其產(chǎn)品的性能才能夠滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求。

數(shù)字光通信系統(tǒng)的性能最終是通過(guò)比特誤碼率(Bit Error Ratio Test (BERT))來(lái)檢驗(yàn)，但光電元器件(如調(diào)制器、PIN-TIA接收機(jī)和檢波器)的模擬特性，對(duì)整個(gè)傳輸系統(tǒng)的性能也起著決定性的作用。只有在調(diào)制信號(hào)帶寬上，準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)這些電光器件，才能保證信號(hào)在整個(gè)系統(tǒng)中高效地傳輸。

而光電元器件分析儀(Optical Vector Network Analyzer)就是測(cè)試不同速率/帶寬的電光器件、光纖通道、有線電視傳輸系統(tǒng)、光載無(wú)線電和航空航天與國(guó)防等應(yīng)用中的所有相關(guān)光電元器件S參數(shù)(例如S21、S11和S22)的首選儀器。

光電元器件分析儀可測(cè)量PIN二極管、APD、LiNbO3和電吸收調(diào)制器以及調(diào)制激光源的電光S21響應(yīng)度。

根據(jù)這一測(cè)量結(jié)果，可以確定絕對(duì)響應(yīng)度、3dB截止頻率以及相對(duì)和絕對(duì)群時(shí)延。

圖1 光電器件的測(cè)量分析

目前大多數(shù)工程師更熟悉的光模塊測(cè)試是分別用采樣示波器和誤碼儀來(lái)測(cè)試眼圖和誤碼率，通過(guò)眼圖和誤碼率的參數(shù)來(lái)衡量光模塊中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的特性。

這種測(cè)試時(shí)所用的信號(hào)是NRZ或者PAM4調(diào)制的數(shù)字信號(hào)，碼型是PRBS偽隨機(jī)碼。NRZ和PAM4信號(hào)在時(shí)域上是變化的電平，NRZ是兩電平變化的，PAM4是四個(gè)電平在變化，如圖2所示。

光通信工程師經(jīng)常用誤碼率和眼圖來(lái)衡量光通信器件的性能。但是，誤碼率或眼圖通常是用來(lái)衡量系統(tǒng)性能，很難用誤碼率來(lái)衡量組成系統(tǒng)的各個(gè)器件的性能。因此，高速光電元器件分析儀應(yīng)用到光電器件的分析中來(lái)，用于表征器件的性能。

圖2.1 NRZ(“PAM-2”)

①2個(gè)幅度電平

②每個(gè)符號(hào)有1比特信息

③28 Gbaud NRZ=28 Gb/s

圖2.2 PAM4

①4個(gè)幅度電平

②每個(gè)符號(hào)有2比特信息

③對(duì)于同樣的符號(hào)速率吞吐量翻倍

較低的信噪比SNR，對(duì)噪聲更敏感

④TX/RX的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，成本更高

圖3 數(shù)字信號(hào)頻譜分布

數(shù)字信號(hào)的頻譜，無(wú)論是NRZ還是PAM4調(diào)制，或是PRBS的任意編碼形式，其頻譜都呈sinc函數(shù)型（如圖3），因此我們很難在頻域上解析信號(hào)中的信息，因此如果想去解析傳輸信號(hào)中包含的信息，我們通常是在時(shí)域上進(jìn)行解析的。

而測(cè)試眼圖或者誤碼率就是在時(shí)域上評(píng)判系統(tǒng)的優(yōu)劣，如果眼圖和誤碼率都能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，那說(shuō)明系統(tǒng)的功能是優(yōu)異的，該系統(tǒng)可以無(wú)失真的傳輸信號(hào)，而反之，如果測(cè)試發(fā)現(xiàn)眼圖或是誤碼率都不能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，眼睛睜不開(kāi)，或者誤碼率很高，那么我們就要考慮是否是組成系統(tǒng)的器件的性能出現(xiàn)了問(wèn)題。

器件性能對(duì)信號(hào)傳輸最主要的影響就包括器件帶寬的影響，因此，當(dāng)單路速率比較高時(shí)，我們通常都會(huì)去測(cè)器件的頻域性能，即頻率響應(yīng)。

如圖3所示的時(shí)域信號(hào)，轉(zhuǎn)換到頻域上我們可以看到，是一個(gè)sinc函數(shù)的包絡(luò)，該頻譜的主要頻譜能量都分布在sinc函數(shù)的第一過(guò)零點(diǎn)以?xún)?nèi)，第一過(guò)零點(diǎn)是由比特率來(lái)決定。從頻譜分布來(lái)看，可知比特率越高，上升時(shí)間越小，信號(hào)所占用的頻譜帶寬就越大。

因此，當(dāng)我們傳輸速率比較高的時(shí)候，就需要保證器件的帶寬足夠大，這樣才能夠滿(mǎn)足無(wú)失真?zhèn)鬏敶髱捫盘?hào)的條件。而光波器件分析儀LCA的主要功能就是測(cè)試光電器件的頻域特性的。

時(shí)域測(cè)試與頻域測(cè)試并不是完全獨(dú)立的，他們是有一定關(guān)系的。

時(shí)域測(cè)試時(shí)，在整個(gè)測(cè)試鏈路中傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)，從頻域上看所有的所有頻率分量雖然幅度各不相同，但它們是同時(shí)存在于測(cè)試鏈路中的，如圖3所示。

而頻域測(cè)試，每一時(shí)刻，鏈路中只存在一個(gè)單獨(dú)的頻率分量，每一時(shí)刻都測(cè)量一個(gè)單獨(dú)的頻率分量下的器件性能，信號(hào)頻率隨著時(shí)間掃描，從測(cè)試的起始頻率掃描到終止頻率，最終獲得整個(gè)測(cè)試帶寬的頻率響應(yīng)。

保證器件的帶寬是足夠傳輸高速信號(hào)的，這一步叫做器件的性能測(cè)試。

性能測(cè)試通關(guān)之后才會(huì)進(jìn)行封裝，封裝后還要進(jìn)行時(shí)域的測(cè)試，這一步通常叫做功能測(cè)試。

因此對(duì)于一個(gè)合格的器件的生產(chǎn)，尤其是高速光通信器件，頻域和時(shí)域的測(cè)試都是必不可少的。如圖4，就是一個(gè)光模塊的生命周期，以及他們這個(gè)周期中需要經(jīng)歷的測(cè)試，在光模塊出廠之前，需要分別經(jīng)歷晶元的生產(chǎn)，電路集成，晶元測(cè)試，切割，校準(zhǔn)，封裝，功能測(cè)試等流程，其中晶元測(cè)試我們一般會(huì)測(cè)器件的波長(zhǎng)域的性能以及頻域的性能（光電元器件分析儀完成），在封裝后，要進(jìn)行功能性測(cè)試（時(shí)域測(cè)試，眼圖誤碼等）。

圖4 光模塊的生命周期

從分類(lèi)上來(lái)說(shuō)，所有的光電(O/E)，電光(E/O)，光光(O/O)，電電(E/E)器件都是光電元器件分析儀的被測(cè)對(duì)象。如圖5所示，光電二極管，調(diào)制器，激光器，或相干通信中的Mach-Zehnder調(diào)制器和ICR接收機(jī)。光電元器件分析儀都能將其器件性能準(zhǔn)確的測(cè)量出來(lái)。

圖5.1 典型電光器件

圖5.2 典型光電器件

測(cè)量參數(shù)的概念也很簡(jiǎn)單，它測(cè)量了各種光電器件的小信號(hào)線性傳輸和反射特性。傳輸特性和反射特性的定義如下圖6所示。

傳輸特性就是對(duì)比進(jìn)入被測(cè)器件的信號(hào)和經(jīng)過(guò)被測(cè)器件之后的信號(hào)，以此可以得到被測(cè)器件對(duì)信號(hào)的增益或是衰減或是叫做轉(zhuǎn)換效率。

反射特性同理，對(duì)比進(jìn)入被測(cè)器件的信號(hào)和從被測(cè)器件反射回來(lái)的信號(hào)，以此可以得到被測(cè)器件對(duì)信號(hào)的反射特性。

圖6 傳輸特性與反射特性定義

OCA系列光電元器件分析儀（Optical Component Analyzer）是基于“微波光子技術(shù)”，利用光電測(cè)量擴(kuò)展座，搭配上海普尚電子(Prosund）SP800B/SP800P/SP800S等系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀協(xié)同工作，具備電-光、光-電和光-光3種元器件頻譜響應(yīng)參數(shù)的測(cè)量功能。

測(cè)量器件的傳輸特性：

精確的電（電信號(hào)發(fā)生器）或光（激光器）源用于激勵(lì)被測(cè)組件后，由經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的光或電接收機(jī)來(lái)測(cè)量經(jīng)過(guò)被測(cè)器件傳輸之后的信號(hào)，以此來(lái)測(cè)量器件的傳輸特性。

測(cè)量器件的反射特性：

如果是測(cè)量器件的反射特性，則是接收到達(dá)被測(cè)器件之后反射回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

由于傳輸性能和反射性能需要在不同頻率下進(jìn)行表征，因此調(diào)制頻率通常會(huì)掃過(guò)目標(biāo)帶寬。微波網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置信號(hào)源以及接收機(jī)，信號(hào)源負(fù)責(zé)輸出電信號(hào)，接收機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量由被測(cè)器件輸入的電信號(hào)，微波網(wǎng)絡(luò)分析儀負(fù)責(zé)發(fā)射或接收電信號(hào)。

早在上世紀(jì)80年代，光通信剛剛興起的時(shí)候，美國(guó)、英國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)進(jìn)行了相干光通信的理論研究和實(shí)驗(yàn)，并取得了不錯(cuò)的成果。

例如，美國(guó)AT&T及Bell公司，于1989和1990年在賓州的羅靈克里克地面站與森伯里樞紐站間，先后進(jìn)行了1.3μm和1.55μm波長(zhǎng)的1.7Gbps FSK現(xiàn)場(chǎng)無(wú)中繼相干傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸距離達(dá)到35公里。

后來(lái)，進(jìn)入90年代，專(zhuān)家們發(fā)現(xiàn)，日益成熟的EDFA（摻鉺光纖放大器）和WDM（波分復(fù)用）技術(shù)，可以更簡(jiǎn)單、更有效地解決了光通信的中繼傳輸和擴(kuò)容問(wèn)題。

于是，相干光通信的技術(shù)研究，就被冷落了。到了2008年左右，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)，通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量迅猛增長(zhǎng)，骨干網(wǎng)面臨的壓力陡增。

此時(shí)，EDFA和WDM技術(shù)的潛力已經(jīng)越來(lái)越小。光通信廠商們，迫切需要找到新的技術(shù)突破點(diǎn)，提升光通信的傳輸能力，滿(mǎn)足用戶(hù)需求，緩解壓力。

廠商們漸漸發(fā)現(xiàn)，隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、光器件制造等技術(shù)的成熟，基于這些技術(shù)的相干光通信，剛好適合打破長(zhǎng)距離大帶寬光纖通信的技術(shù)瓶頸。

于是乎，順理成章地，相干光通信從幕后走向了臺(tái)前，迎來(lái)了自己的“第二春”。

相干收發(fā)器件是指包括光芯片、電芯片、承載基板/管殼和其他輔助元件的光電集成器件，實(shí)現(xiàn)相干調(diào)制和解調(diào)功能。相干收發(fā)器件的核心是光芯片，光芯片材料有硅光、磷化銦和薄膜鈮酸鋰等3種，其特性如表1所示。其中，硅光是當(dāng)前小型化可插拔模塊的主流選擇；薄膜鈮酸鋰屬于新材料和新技術(shù)，當(dāng)前尚未產(chǎn)品化，有望在128GBd時(shí)代廣泛應(yīng)用。

表1 相干光器件特性

密集波分復(fù)用技術(shù)已進(jìn)入單波400G相干通信傳輸時(shí)代。單波400G有多種調(diào)制格式，如64GBd-PM-16QAM、96GBd-PM-16QAM-PS、128GBd-PM-QPSK，調(diào)制格式階數(shù)越高，光信噪比要求越高，傳輸距離越短。相干光器件是相干通信的核心器件，包括相干光源和相干收發(fā)器件。相干收發(fā)器件按信號(hào)波特率可分為64GBd、96GBd和128GBd幾種。64GBd相干光器件實(shí)現(xiàn)單波400G短距傳輸（PM-16QAM），128GBd相干光器件實(shí)現(xiàn)單波400G長(zhǎng)距傳輸（PM-QPSK）。而相對(duì)于傳統(tǒng)的光通信，相干光通信有著更高的調(diào)制效率，大幅提高了靈敏度。

①解決示波器測(cè)試低信噪比問(wèn)題

②實(shí)現(xiàn)ICR在片測(cè)試

③可同時(shí)得到幅度和相位響應(yīng)曲線

④可用于相干光通信ICR測(cè)試

圖7 相干光器件ICR測(cè)試

也可以采用拍頻法進(jìn)行相干光器件測(cè)試：

①將兩路激光信號(hào)同時(shí)激勵(lì)至被測(cè)件，被測(cè)件檢波輸出的射頻信號(hào)為此兩路激光信號(hào)的拍頻，通過(guò)調(diào)節(jié)其中一路激光源的波長(zhǎng)，可以產(chǎn)生不同頻率的拍頻

②通過(guò)比較不同拍頻輸出情況下的被測(cè)件的輸出信號(hào)強(qiáng)度，得到被測(cè)件的頻率響應(yīng)，并確定工作帶寬

普尚SP800系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀擁有以下高測(cè)量性能：

①可內(nèi)置雙光源，C波段波長(zhǎng)步進(jìn)可調(diào)，接受定制（如850nm，1270nm，1330nm等特殊波長(zhǎng)）

②OE和EO最高頻率：900Hz-67(70)GHz

③幅度-頻率響應(yīng)不確定度：

±0.8dB（@50GHz,典型值）

±1.3dB（@60GHz,典型值）

④典型相位不確定度：±2°

⑤光光測(cè)量（選件）：幅度、相位、延時(shí)、長(zhǎng)度

審核編輯：湯梓紅