粗波分復用光學(xué)器件測試

引言
粗波分復用 (CWDM) 被視為城域接入網(wǎng)實(shí)現帶寬的首選技術(shù)。由于它采用成本低廉的、基于分布式反饋(DFB)激光器的發(fā)射機以及低成本發(fā)射機、經(jīng)濟型復用器，不需要昂貴的直插光放大系統，所以是替代密集波分復用(DWDM)的一種極具吸引力的備選方案。
CWDM復用器基于成熟的薄膜濾波器技術(shù)，目前常用的端口數是四信道或八信道。在從1270~1610nm的整個(gè)波長(cháng)范圍內，可使用最多18條信道。信道的中心波長(cháng)相距20nm。但是，CWDM網(wǎng)絡(luò )將來(lái)是否會(huì )在1470~1610nm上部署八條以上的信道還存在疑問(wèn)。特別是，在1370~1430nm周?chē)鷱娪辛Φ腛H吸收峰值，會(huì )導致很高的光纖衰減，這最終會(huì )限制傳輸距離。為利用CWDM傳輸這種較低的波長(cháng)范圍，必須安裝使OH吸收達到最小的新光纖，稱(chēng)為“全頻帶”光纖。但是，安裝新光纖是一個(gè)成本非常高的過(guò)程，因此會(huì )與城域接入網(wǎng)的關(guān)鍵要求發(fā)生沖突。只有已安裝的光纖所提供的帶寬全部用完，而且增容幾乎全部采用新的全波段光纖形式時(shí)，才應使用18信道CWDM技術(shù)。
由于在城域接入網(wǎng)中，避免了光直插放大器和高功率發(fā)射機，而只使用低成本接收機，因此復用器或分插模塊等光器件必須滿(mǎn)足嚴格的損耗要求。元器件的損耗越高，總的系統功率預算容限越低，網(wǎng)絡(luò )失效的可能性越高。因此，損耗性能對無(wú)源CWDM器件的設計和生產(chǎn)至關(guān)重要。
下面我們將討論正確的測試戰略和原則可以怎樣幫助實(shí)現CWDM器件的成本目標。

CWDM元器件測試戰略
CWDM復用器件一般采用成熟的薄膜濾波器技術(shù)。薄膜濾波器由晶片制成，上面淀積多個(gè)交替層，這些層由折射系數不同的兩種或多種材料制成。各層的確切厚度對器件的性能至關(guān)重要。在淀積過(guò)程中，通過(guò)檢測由于頻譜測量干擾導致的傳輸功率變化，可以檢驗器件的厚度。在淀積過(guò)程之后，一般會(huì )檢查晶片，確定晶片的區域是否符合預定的損耗特點(diǎn)模板。這個(gè)模板規定了濾波器通帶中的損耗和損耗變化、帶寬和串擾特點(diǎn)。事實(shí)證明，這種提前檢查晶片的方法在生產(chǎn)過(guò)程早期可以節約成本，因為它避免了剪斷和打磨光學(xué)特點(diǎn)不符合晶片規范的濾波器立方體。
在劃線(xiàn)和打磨之后，將全面測試薄膜濾波器的光學(xué)特點(diǎn)。為此，薄膜濾波器立方體放在開(kāi)放光束環(huán)境中，采用GRIN透鏡構成平行光束。在零度角上測試濾波器。通過(guò)這種方式，可以同時(shí)確定光傳輸特點(diǎn)和反射特點(diǎn)。這一點(diǎn)特別重要，因為除交替薄膜層外，薄膜濾波器在立方體的背面有一個(gè)抗反射的涂層，以避免從玻璃空中接口發(fā)生多次反射。反射效應會(huì )導致傳輸特點(diǎn)中出現看得到的波動(dòng)。濾波器對準時(shí)一般會(huì )采用自動(dòng)定位設備和光反饋技術(shù)，在對準過(guò)程中實(shí)時(shí)測量傳輸特點(diǎn)。然后使用檢索到的數據控制濾波器相對入射光束的調節。
在把良好的濾波器封裝在光學(xué)(子)模塊中時(shí)將采用相同的方法。這里，一般會(huì )調節濾波器，構成光束為幾度的一個(gè)入射角，進(jìn)一步降低干擾的影響。這種操作主要把反射的濾波器頻譜指向另一個(gè)GRIN透鏡或其它薄膜濾波器。通過(guò)這種方式，可以建立光分插模塊和復用器。每個(gè)濾波器僅傳輸選擇部分的入射頻譜，而其余頻譜會(huì )被反射。濾波器立方體是否正確對準入射光束，決定著(zhù)每條信道的中心波長(cháng)及復用器中信道之間的串擾。
一旦對準和封裝完成，生產(chǎn)流程中的最后一步是成品測試。這里，將測試整個(gè)模塊的光學(xué)性能。即進(jìn)行標準測試，以獲得串擾、通帶損耗變化、隔離度、中心波長(cháng)等特點(diǎn)。通過(guò)增加偏振相關(guān)損耗測量，可以指定所有參數，包括偏振效應。生產(chǎn)流程和相關(guān)測試通用方案如圖1所示。
在制造流程中是否要進(jìn)行測試，取決于元器件制造商必須滿(mǎn)足的產(chǎn)出和成本要求。CWDM器件的成本目標要比DWDM器件嚴格得多。因此，必須根據CWDM價(jià)格方案調整測試成本。從本質(zhì)上看，DWDM器件測試和CWDM器件測試之間的差別在于波長(cháng)和功率的精度要求、成本目標和覆蓋的波長(cháng)范圍。這可能會(huì )導致這樣的結論，即DWDM器件測試和CWDM器件測試要求不同的測試設備。但事實(shí)上，光纖測試基于非常通用的原則，即所謂的“激勵-響應”測試，濾波器是用于CWDM還是DWDM則無(wú)關(guān)緊要。另外，DWDM器件測試解決方案已經(jīng)提供了0.002dB或更低的損耗測量精度。這為利用DWDM測試解決方案測試CWDM器件提供了潛力。下面將討論測量原理及其在實(shí)際測試應用中的實(shí)現，其中我們將討論同時(shí)測試CWDM和DWDM器件的可能解決方案。

測試原理和解決方案
最新的波長(cháng)分辨激勵響應測量方法采用可調諧光源和寬帶功率計，其中可調諧光源可以在整個(gè)波長(cháng)范圍內連續進(jìn)行調諧。這種方法克服了光譜分析儀的波長(cháng)分辨率限制。高性能可調諧激光器還限制了自發(fā)發(fā)射的影響，實(shí)現了很高的動(dòng)態(tài)范圍。此外，在同時(shí)測量多條信道時(shí)，可調諧激光器-功率計方法提供了極高的擴充能力和靈活性，可以以最低的新增成本，根據要求的設備端口數量調節測試系統，如圖2 所示。
這種方法采用模塊化設計，從而為未來(lái)升級提供了一條道路，在需要時(shí)可以增加更多的測試功能，如色散測量等。因為如果CWDM技術(shù)的傳輸速度從2.5 Gb/s推進(jìn)到10 Gb/s，將要求進(jìn)行色散測量。
一般來(lái)說(shuō)，將以?huà)呙璺绞竭M(jìn)行測量，并同時(shí)記錄波長(cháng)和功率信息。對PDL測量，將增加一個(gè)偏振控制器，控制入射到被測器件上的光信號的偏振。通常使用米勒方法進(jìn)行PDL測量，這要求輸出四種特定的偏振狀態(tài)。通過(guò)這種方式，可以在整個(gè)波長(cháng)范圍內記錄偏振相關(guān)性。這是因為如果檢查偏振對串擾或帶通的影響，則要求在整個(gè)波長(cháng)范圍內記錄偏振相關(guān)性。
以上方案設置結構非常通用，對成品測試時(shí)，完成的模塊規范取決于測試系統的性能。對工序間測試時(shí)，通常會(huì )把性能要求降低到某種程度，以有利于測量速度，特別是在把測試解決方案作為對準流程的光學(xué)反饋環(huán)路時(shí)。在這里，關(guān)鍵參數是更新速率和數據檢索速度。但是，對使用可調諧激光器和功率計方法的當前測試解決方案，其中一個(gè)局限性是波長(cháng)范圍有限，特別是對CWDM濾波器測試應用方面。直到最近，通過(guò)結合使用兩個(gè)或多個(gè)可調諧光源，全面覆蓋所需的波長(cháng)范圍，才解決了這種局限性，如圖3所示。
很明顯，這種解決方案的成本相對較高，考慮到大多數元器件制造商目前的經(jīng)濟環(huán)境。折衷方案通常是使用波長(cháng)精度有限的低性能可調諧激光器。這對CWDM濾波器測試似乎是一種有效的方法。因為波長(cháng)精度不是一個(gè)關(guān)鍵的性能參數。但是，低性能通常意味著(zhù)功率穩定性有限，表現為功率隨著(zhù)波長(cháng)變化而變化。如果隨機發(fā)生這種功率變化，將不能進(jìn)行校準，致使只有增加功率監測儀才能滿(mǎn)足嚴格的損耗精度要求，而這再次會(huì )增加測試解決方案的成本。最后，這種方法沒(méi)有帶來(lái)要求的成本效率和性能，是相當差的折衷方案。而且將不能解決上面討論的在相同的測試解決方案中測試CWDM和DWDM器件的問(wèn)題。因為這些低成本可調諧激光器通常不能提供DWDM應用中窄帶濾波器所需的高波長(cháng)精度性能。
 新型可調諧光源現在可以解決這個(gè)問(wèn)題，這些光源在波長(cháng)精度和功率穩定性方面提供了很高的性能，同時(shí)把波長(cháng)覆蓋范圍擴展了200nm，從1450nm擴展到1640nm。它為損耗測量提供了符合要求的功率穩定性，可以實(shí)現很高的精度。此外，它不需組合多個(gè)可調諧光源，即可測量八信道CWDM復用器的整個(gè)波長(cháng)范圍，從而節約了成本。而且這種解決方案的成本可以在多種不同濾波器之間分攤，從而使每種濾波器分擔的成本達到最小，在不降低精度的情況下滿(mǎn)足了CWDM器件的成本目標。
與其它解決方案相比，如組合使用不同的光源、使用低性能光源或投資于不同的解決方案滿(mǎn)足不同的濾波應用需求(如CWDM或DWDM)，投資于高端可調諧光源具有非常好的投資回報率?！?br/>