用全波段测试法怎样优化光器件性能详解

　　如何用全波段测试法优化光器件性能
　　通信界的最近进展主要集中于城域网和接入网，因为它们可以解决存储局域网络(SAN)、视频点播(VOD)、高清晰电视(HDTV)、智能家庭、远程会议等应用所带来的带宽危机。
　　新型的光纤已经能够传送整个光通信波段，包括O波段、E波段、S波段、C波段、L波段以及U波段，同时网络业务提供商正在规划未来5年的投资。
　　用在这些新的应用中的光器件各有不同，测试方法也互有差别，但在大部分情况下这些方法都未实际使用。现在光器件的产量不断飙升，所以必须研究更为切实的测试方法。在同一个测试平台上测量光器件在整个波段内的性能就是个很好的方法。全波段测试的结果可给网络服务提供商提供保证，让他们可以对未来的无源光网络(PON)、粗波分复用(CWDM)网络进行优化，且向下兼容。
　　在PON网络中有两种主要的无源光器件。一个是波分复用器/解复用器，另一个是1×N或者2×N的光分路器，其中N可以是4、8、16或者32。波分复用器/解复用器可以用在“三工器件”(triplexers)中，以该器件为例，其主要功能是将PON网络中三个波长的光信号进行分离、合路，这三个波长分别是1310nm、1490nm和1550nm。
　　由于这些器件用在PON网络的不同位置，因此对他们的测试要求也不同。例如，要求波分复用器/解复用器(光滤波器)满足不同通带之间要有足够的隔离度，而对1×N或2×N的光分路器的期望是光分路比在各个光波段尽可能一致。尽管对这些器件的要求不同，但是人们还是希望能够了解这些器件对整个光谱的响应。ITU-TBPON标准G.983就对此作出了陈述，要求所用光器件至少标出在两个光波段下的指标，这两个光波段是1260nm~1360nm波段和1480nm~1580nm波段，这两个波段分别在光网络终端(ONU)和光线路终端(OLT)中使用。
　　对于光功率预算来说，有个大家熟知的参数就是1dB余量，对于PON网络而言这就意味着它额外所能延伸的距离和覆盖的范围。例如，在1310nm波段，光纤的损耗是0.35dB/km，那么多1dB的额外损耗，就意味着网络的延伸范围要减少2.8km。在一些情况下，它会严重影响通信基础设施的潜在收益。因此，精确测定PON网络中光器件的参数已经变得十分重要了。
　　在很宽的波长范围内，插入损耗的测试是比较容易实现的，而偏振相关损耗(PDL)的测试却不是那么简单。
　　从测试结果我们可以看出这个器件在各个波长处所呈现的一致性情况。尽管大多数器件制造商已经拥有在较宽波段内测试插入损耗的技术，但是并不一定意味着他们能够完成全波段下偏振相关损耗的测试，PDL的测试往往只是针对少数几个波长完成的。这会导致在全波段环境下使用时，人们容易低估PDL的不一致性。
　　现在，粗波分复用(CWDM)网络已经广泛应用到存储局域网络(SAN)以及城域网络建设之中，人们认为它是一种“低成本的CWDM”技术。尽管人们还在讨论CWDM器件制造起来是否真的便宜，用于CWDM的波长配置标准却仅定义了16个波长，这会限制实际使用的波长数，而且也限制了更新，反过来会影响系统维护的成本。
　　最常使用的是4波、8波光器件，这些光器件需要在1460nm~1620nm波长范围内，依据实际配置(可能是S波段、C波段或者L波段)进行测试，测试的光谱宽度是100nm~160nm。对于16波的光器件，就需要在1260nm~1620nm波长范围内进行测试。由于滤波器需要保证对相邻信道的隔离度至少是45~55dB，因此不容易找到两全其美的测试方法，也就是既能保证宽的光谱范围，又有大的动态范围，而且波长和损耗测试都很准确的方法。CWDM或PON系统中，器件测试要求达到的精度是50pm或者取样分辨率精度为100pm就足够了，而对DWDM却是5pm。同DWDM网络相比，尽管PON网络和CWDM网络对波长精度的要求不是那么严格，但是对损耗测试精度的要求却十分严格。@@@@@@@@@@
　　人们希望CWDM或者DWDM器件在不久的将来能够集成到PON网络中，这样可以增大接入网的带宽。这需要了解器件在所有波段的特性。通常情况下，人们使用以下3种方法中的1种或者几种结合起来对绝大多数无源光器件进行测试。
　　离散多波长测试法。这种测试系统主要包含1个或者几个激光器光源以及光功率计、光回波损耗仪、扰偏器。测试时，使用光开关来切换各个光源同仪表之间的连接，切换过程是自动化的，能够提升整个系统的测试效率。但是，这种方法测试的结果不能反映被测器件的详细光谱特性，只能被认为是“若干点”的测试结果。
　　宽谱光源加光谱仪测试方法。损耗测试系统可以看作是一个线性系统，也就是说被测器件(DUT)可以被放置到光源和光探测器之间的任何一个地方。采用光谱分析仪(OSA)结合宽谱光源，那么被测光器件可以直接放在光源和光谱仪之间。这种方法的缺点就是一次只能测试一个端口，如果被测器件是1×16的CWDM器件或者1×32的光分路器，就需要分别对这16或者32个端口进行全波段测试。此外，由于光谱仪不容易测试偏振相关损耗，所以如果需要测试PDL的话，还需要再增加一套测试系统。这种测试方法有不少缺点，比较突出的是，同一个被测器件，每次测量需要连接两次，此外还要处理大量的测试结果。在测试光器件的回波损耗(ORL)以及方向性时，同样会遇到这些问题。目前商用的光谱分析仪(OSA)已经能用于C波段以及C+L波段，但对目前市场新出现的不少无源光器件却显得有些不足了。
　　为了评估这些测试方法的效率，我们以测试一个8通道的CWDM无源光器件的插损(IL)为例来估算一下测试时间。首先，为了测定每个通道的损耗，我们需要扫描8次。接着，为了测量各个通道之间的隔离度(以前称为“串扰”)，测试时需要调宽光谱仪的波长分辨率来提高测试动态范围，再至少扫描8次以上。因此，仅测试这一个光器件的插入损耗特性就需要花费10分钟的时间。这会给器件的生产成本带来较大影响，尤其是PDL、ORL这些指标也需要类似的测试时间。因此，当大批量生产这些器件的时候，测试时间便成为瓶颈。
　　波长扫描法，也称为(光)频率扫描法。这是一种令人关注的方法，通常被称为“波长扫描法”，系统中有多个光探测器。也有人称前面介绍的采用宽谱光源加光谱分析仪的测试方法为波长扫描法。不同的是现在介绍的这个方法是产生一个波长可以连续变化的单波长(单频)光信号，送到被测器件，变化光波长和偏振态，检测器件输出光的功率。采用一个光探测器就可以测试光器件的响应，这样就可以确定插入损耗、偏振相关损耗以及回波损耗等参数。
　　这种测试方法通常使用可调谐激光器，它的波长可以连续变化;需要测量PDL时，加上偏振控制器就可以了。如果测试系统中集成了多个探测器，这最好不过了，扫描一次就可以测量出全部信道的参数。这样可以加快多端口光器件的测试过程。提高测试速度的最终办法就是系统中要有消偏振的扫描光源、偏振分集接收探测器(每个极化方向对应一个光探测器)。例如，测试一个32通道的光器件，就需要128个光电探测器，32个用于分离偏振态的光路，此外还有相关的电路。这会造成系统很复杂、昂贵，没有商用价值。
　　单个可调谐激光器光源(TLS)波长变化的范围只有100nm~150nm，不超过200nm;所以现今使用的系统，全波段扫描是通过控制一个或者多个可调谐激光器光源来实现的。当系统要处理宽的光谱范围时，需要数据处理接口搜集处理相关信息。这样下来使得系统复杂度增大。O波段的测试目前是个难题，因为只有很少的可调谐激光器光源可以覆盖这个波段;所以，能胜任C波段和L波段以外波长范围的测试的系统还很少。目前，完成一个8通道CWDM光器件插入损耗的测试，需要几秒钟，如果还需要测试偏振相关损耗的话，则需要10分钟左右。
　　因此，如果能获得8通道器件在整个光通信所用光谱范围内的参数，那将是很具有诱惑力的。因为这样可以通过使用原来通道所相邻的1271nm~1451nm波段范围，将系统升级到16通道的CWDM。但是，图2中所显示的这个8通道的器件，其特性就不能满足这个升级需求。
　　一种折衷方法
　　正如前文介绍的一样，仅用一套测试系统无法完成所有测试，在整个光通信所用光波段内详细分析无源光器件的特性是很麻烦的，除非全波段测试系统出现。
　　兼顾考虑测试时间和系统复杂度这两个方面，最好的折衷方案是使用一个超宽带的可调谐扫频激光器、偏振控制器，再加上若干偏振敏感度低的光电探测器。这样搭配出来的系统，其主要特点是测试耗时少。若该仪器采用全波段可调谐激光器，配合能高速同步的探测器阵列;那么它从1260nm到1630nm仅扫描一次，就可以提供快速的、明了的测试结果。例如，测试一个8通道的CWDM器件的插入损耗，10秒钟即可完成;对于32端口的光分路器，完成插入损耗测试、偏振敏感度测试也不超过1分钟。
　　此外，为了给基于Mueller矩阵法的PDL测试系统提供统合适的偏振态，测试中需要使用偏振态控制器(光纤卷)，做全态PDL测量时，还需要用扰偏器。全能型全波段测试仪不需要和其他仪器切换，就可以在整个光通信波段实现多通道的IL、ORL以及PDL测试，这就大大提高了测试速度。
　　尽管这类仪器几乎可用于所有的无源光器件的测试，但是由于它处理的波长范围只有400nm，因此更适用于FTTx以及CWDM这类应用。图1、图2所示就是这个测试仪的测试结果。
　　相关标准问题
　　目前无源光器件的测试参照哪些标准?从技术的角度看，这主要受制于可调谐激光器和光探测器。由于FTTx和CWDM技术的演进，像国际电联(ITU)，以及国际电气协会(IEC)等国际组织目前都在致力于研究和投票表决这些新提出的标准。在更宽的波谱范围内测试IL、ORL、PDL以及其他一些重要参数，根据器件的类型，这个波谱范围可以从O波段直到U波段;而对测试的要求正在向全波段发展。
　　实际上，人们心目中希望的测试系统要能够用于单模光纤的整个通信“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范围内能测试光器件损耗以及偏振，既能测与传输相关的参数，也能测试与反射相关的参数——就是实现所谓的“全波段”测试。