DWDM组件的损耗和色散测试

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在高速光网络传输中，不仅要测试光纤组件的损耗，还必须测量其色散。本文提出了一种新的测量方法，它结合了低噪音输出可调节激光源和干涉测量法，可同时对损耗和色散进行有效测量。图1：宽度为40Gbps的归零(RZ)和非归零(NRZ)信号。

密集波分复用(DWDM)是一种具有成本效益的光纤数据传输方式。通过提高网络传输速度或/及减小频段间隔可满足日益增长的带宽要求。

当网络传输速率达到10Gbps或以上时，仅仅测试光纤组件的损耗显然已经不够，同时还必须测试它的色散。所有组件都必须满足插入损耗(IL)、极化相关损耗(PDL)、群时延(GD)和差分群时延(DGD)这四个参数要求。对于光栅、AWG和插分模块(add-drop module)等窄带组件以及传输速率在10Gbps及以上的网络而言，所有这些参数都必须测试。直到现在，损耗测量和色散测量仍被视为两项独立的任务，并采用不同的方法来完成。图2：扫描外差干涉仪的基本设置。

本文将提出一种全新的方法，可同时对所有相关器件参数进行精确测量，而不仅仅针对某一组或某一个参数。此外，近期研究表明，目前色散测量中广泛使用的多种方法用于窄带器件时均表现出性能不足。通过设置干涉测量法，尤其是扫描外差干涉测量法(swept homodyne interferometry)可克服这些不足。新方法中结合了低噪音输出可调激光源及干涉测量法，分别用于损耗和色散测量。以下是有关的实验结果，我们将对此加以讨论。

“全参数测试”的必要性

调制信号都覆盖一定的频率范围(波长范围)，这个范围至少与调制频率本身的宽度一样(图1所示)。因此，在测试某个器件的参数时必须考虑到它的整个波长范围，而不仅仅是某个特定的波长。图3：用扫描外差干涉法(SHI)解析本地GD的梯度。

当网络传输速率上升到10Gbps及其以上时，除了损耗以外，信号的运行时间也十分重要。根据经验，系统可接受的延迟(或色散)为一个比特位中的十分之一(即40Gbps中的25ps，本例中为2.5ps)；由于系统包含许多组件，因此每个组件产生的延迟都必须非常小。目前，所有的组件都必须满足IL、PDL、GD和DGD等参数的严格要求。如果组件未能满足四个参数中任一个的要求，就会对系统产生影响甚至引发故障。

至今为止，损耗和延迟(色散)的测量仍被视为两项独立任务并采用不同的方法、或采用那些经过优化可测试单个参数的方法完成[3]。显然，随着测试要求的改变，我们也要相应地改变测试仪器。测试及测量仪器必须能精确地描述所有同等重要的相关器件参数，而不仅仅针对某组或某个参数。为了降低以上提及的测试成本，测试必须尽量准确。因此，为了尽量减少测试的不确定性，新的测试方法应当设计为单一接入。图4：测量通过极化解析的GD。

对于我们称为“先进组件”的光栅、AWG或插分模块等无源光器件和模块，尤其是用于10Gbps、40Gbps和窄带网络的组件来说，在开发及生产过程中对所有参数都进行测试是十分重要的。布拉格光纤光栅(FBG)便是一个需要测试所有参数的典型器件。从损耗来看，布拉格光纤光栅可设计成高损耗及低PDL；从色散来看，光栅可用于滤掉一个信道，因此要求色散不受波长的影响，或增加一个线性调频设计(chirped design)以便精确补偿由波长改变引起的色散。

新的测量方法

本文将介绍一种新的方法，可测试所有的参数，并考虑到现有DWDM组件的要求。根据上文所述，测试中需要布拉格光纤光栅，相关环境的设置须符合以下标准：

* 在传输和反射状态下精确地测量损耗和色散图5：通过极化解析GD的测量值来计算DGD。

* 具有较大的动态损耗测量范围

* 精确地描述GD纹波(ripple)等色散细节

此外，近期研究表明，当今许多广泛使用的色散测量方法都无法用于窄带器件。通过设置干涉测量法，尤其是扫描外差干涉测量法可解决这一问题[3，4]。为了正确地测量损耗和色散，设置中结合了一个低噪音输出可调激光源 [5,6]和干涉测量法，分别对损耗和色散进行高分辨率的测量。

在所谓的“扫描外差干涉测量法(SHI)”中，激光源的波长可进行调节，而干涉仪的臂长则保持固定(图2所示)。其中一个臂携有被测器件(DUT)，另一个则作为参考。光信号经过组合，同时用二极管来检测边缘模式。光学设置本身无需任何移动部件。

通过该实验可获得一个干涉测量法模式：(方程1)，它可在检波器面板上观察到，其中E_LO代表本地振荡器。E_dut是经过DUT的场幅度，ν是光频率。DUT的相位信息φ,可通过数学方法提取并转换成GD。图6：FBG在反射状态下的损耗和PDL特性。

使用扫描外差干涉测量法可在测量色散时获得较高的光谱分辨率。目前，调制相移法(MPS)仍是测量色散的标准方法[3]。当两个同时调制的信号首次分别通过带有DUT的路径和电子参考路径时，从它们之间的延迟可获得色散信息。经过调制后，边模式(side mode)加宽了信号的光谱。如果器件的色散变化幅度与调制信号带宽相当，便会影响细节处的分辨率，如图3所示。这样会引起GD纹波或影响滤波器通带边缘的分辨率。这种情况下，有时可通过干涉测量法来解析所有细节。

任何一种色散测试方法都有其优点及局限性。例如，零差扫频干涉法不适用于光纤等长器件的测量，但却非常适合窄带组件的测试方案，测试宽带器件也十分有效。

损耗测量原理 图7：FBG在传输时的损耗和PDL特性。

在图2所示的设置中加入耦合器，可将部分信号重定向使之进入功率计，从而可使用现有的可调低噪音输出激光和高灵敏度功率计所具有的所有性能并配合适当的软件驱动程序[1、5、6]来进行高精确度、大动态范围的损耗测量。目前这种方法已成为业界一种可接受的标准方法。通过Mueller-Stokes方法[1、2、3]，可使用各种极化控制器来决定极化相关损耗(PDL)及GD的极化关系。读者可从本文所附的相关文献[1、2、3]中找到有关损耗和极化相关损耗(PDL及GD、DGD)的详细定义及物理起源。

色散测量原理

由于所有的光波信号都以群组的方式传输，同时频率并不单一，GD和τ是值得注意的参数。GD与相位延迟密切相关，并考虑了信号的邻近光谱[3]；因此GD表示的是相位随波长(在极小的波长范围内)的变化。测量结果中GD的单位是时间，通常以皮秒(ps)计算。GD可通过相位延迟用公式来计算。在某些情况下，我们用色散(CD)来描述一个组件。CD表示的是GD与波长之比的斜率[3]，单位为ps/nm。

DGD指的是两个正交输入极化状态的GD之差，它反应了器件材料的双折射特性。在我们的设置中，我们记录了GD在正交极化状态下的两个轨迹，然后将其相减获得DGD(图4和图5)。图8：FBG在传输时的GD和DGD(分辨率为1pm，带宽β=50pm)

在当前的设置中，GD的测量精度不足50fs，DGD为100fs，损耗和PDL为35mdB。目前业界正在努力减小残留噪音影响。我们可精确地测量出带宽分辨率为1pm的GD和DGD。

测量实例

我们选择布拉格光纤光栅(FBG)作为被测器件。图6和图7所示为非变迹(non-apodized)、非均衡的FBG在反射和传输模式下的损耗测量(分辨率为5pm)。光栅间隔表现出轻微的极化性，从而使主要状态的损耗光谱出现了几个pm偏移，并表现为陡峭的PDL波形。损耗值作为极化解析测量的平均值来计算[3]。

测量相位时，可调激光源的扫描速率设置为40nm/s。单次扫描的测量时间包括了数字分析时间，约为几秒钟。将每次测量所得的轨迹进行平均可改进SNR。此处的结果是10次测量的平均值。使用滑动光谱窗(带宽β)可进一步降低背景噪音。带宽可根据光谱的形状进行调节以便尽量减少信号影响，但只有当它的值比标准相位调制方法中的卷积积分低得多时才能获得良好结果。图9：FBG在反射时的GD和DGD(分辨率为1pm，带宽β=1pm)