用全波段測(cè)試法優(yōu)化光器件性能

通信界的最近進(jìn)展主要集中于城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，因?yàn)樗鼈兛梢越鉀Q存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)(SAN)、視頻點(diǎn)播(VOD)、高清晰電視(HDTV)、智能家庭、遠(yuǎn)程會(huì)議等應(yīng)用所帶來(lái)的帶寬危機(jī)。

新型的光纖已經(jīng)能夠傳送整個(gè)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(shí)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供商正在規(guī)劃未來(lái)5年的投資。

用在這些新的應(yīng)用中的光器件各有不同，測(cè)試方法也互有差別，但在大部分情況下這些方法都未實(shí)際使用�，F(xiàn)在光器件的產(chǎn)量不斷飆升，所以必須研究更為切實(shí)的測(cè)試方法。在同一個(gè)測(cè)試平臺(tái)上測(cè)量光器件在整個(gè)波段內(nèi)的性能就是個(gè)很好的方法。全波段測(cè)試的結(jié)果可給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商提供保證，讓他們可以對(duì)未來(lái)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)、粗波分復(fù)用(CWDM)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，且向下兼容。

在PON網(wǎng)絡(luò)中有兩種主要的無(wú)源光器件。一個(gè)是波分復(fù)用器/解復(fù)用器，另一個(gè)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(fù)用器/解復(fù)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(wǎng)絡(luò)中三個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行分離、合路，這三個(gè)波長(zhǎng)分別是1310nm、1490nm和1550nm。

由于這些器件用在PON網(wǎng)絡(luò)的不同位置，因此對(duì)他們的測(cè)試要求也不同。例如，要求波分復(fù)用器/解復(fù)用器(光濾波器)滿足不同通帶之間要有足夠的隔離度，而對(duì)1×N或2×N的光分路器的期望是光分路比在各個(gè)光波段盡可能一致。盡管對(duì)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(duì)整個(gè)光譜的響應(yīng)。ITU-TBPON標(biāo)準(zhǔn)G.983就對(duì)此作出了陳述，要求所用光器件至少標(biāo)出在兩個(gè)光波段下的指標(biāo)，這兩個(gè)光波段是1260nm~1360nm波段和1480nm~1580nm波段，這兩個(gè)波段分別在光網(wǎng)絡(luò)終端(ONU)和光線路終端(OLT)中使用。

對(duì)于光功率預(yù)算來(lái)說(shuō)，有個(gè)大家熟知的參數(shù)就是1dB余量，對(duì)于PON網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的延伸范圍要減少2.8km。在一些情況下，它會(huì)嚴(yán)重影響通信基礎(chǔ)設(shè)施的潛在收益。因此，精確測(cè)定PON網(wǎng)絡(luò)中光器件的參數(shù)已經(jīng)變得十分重要了。

圖1.一個(gè)1×32路的光分路器的典型測(cè)量結(jié)果

圖1a是插入損耗(IL)測(cè)試結(jié)果，圖1b是偏振相關(guān)損耗(PDL)測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，插入損耗的測(cè)試是比較容易實(shí)現(xiàn)的，而偏振相關(guān)損耗(PDL)的測(cè)試卻不是那么簡(jiǎn)單。

圖1a和1b分別給出了插入損耗(IL)測(cè)試和偏振(極化)相關(guān)損耗(PDL)測(cè)試，測(cè)試了一個(gè)1×32路的光分路器的各個(gè)輸出端口。從測(cè)試結(jié)果我們可以看出這個(gè)器件在各個(gè)波長(zhǎng)處所呈現(xiàn)的一致性情況。盡管大多數(shù)器件制造商已經(jīng)擁有在較寬波段內(nèi)測(cè)試插入損耗的技術(shù)，但是并不一定意味著他們能夠完成全波段下偏振相關(guān)損耗的測(cè)試，PDL的測(cè)試往往只是針對(duì)少數(shù)幾個(gè)波長(zhǎng)完成的。這會(huì)導(dǎo)致在全波段環(huán)境下使用時(shí)，人們?nèi)菀椎凸繮DL的不一致性。

現(xiàn)在，粗波分復(fù)用(CWDM)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)(SAN)以及城域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之中，人們認(rèn)為它是一種“低成本的CWDM”技術(shù)。盡管人們還在討論CWDM器件制造起來(lái)是否真的便宜，用于CWDM的波長(zhǎng)配置標(biāo)準(zhǔn)卻僅定義了16個(gè)波長(zhǎng)，這會(huì)限制實(shí)際使用的波長(zhǎng)數(shù)，而且也限制了更新，反過(guò)來(lái)會(huì)影響系統(tǒng)維護(hù)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(zhǎng)范圍內(nèi)，依據(jù)實(shí)際配置(可能是S波段、C波段或者L波段)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的光譜寬度是100nm~160nm。對(duì)于16波的光器件，就需要在1260nm~1620nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。由于濾波器需要保證對(duì)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(cè)試方法，也就是既能保證寬的光譜范圍，又有大的動(dòng)態(tài)范圍，而且波長(zhǎng)和損耗測(cè)試都很準(zhǔn)確的方法。CWDM或PON系統(tǒng)中，器件測(cè)試要求達(dá)到的精度是50pm或者取樣分辨率精度為100pm就足夠了，而對(duì)DWDM卻是5pm。同DWDM網(wǎng)絡(luò)相比，盡管PON網(wǎng)絡(luò)和CWDM網(wǎng)絡(luò)對(duì)波長(zhǎng)精度的要求不是那么嚴(yán)格，但是對(duì)損耗測(cè)試精度的要求卻十分嚴(yán)格。@@@@@@@@@@

人們希望CWDM或者DWDM器件在不久的將來(lái)能夠集成到PON網(wǎng)絡(luò)中，這樣可以增大接入網(wǎng)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(jié)合起來(lái)對(duì)絕大多數(shù)無(wú)源光器件進(jìn)行測(cè)試。

圖2.8通道光器件在1260nm～1630nm區(qū)域內(nèi)測(cè)得的插入損耗和偏振相關(guān)損耗。

離散多波長(zhǎng)測(cè)試法。這種測(cè)試系統(tǒng)主要包含1個(gè)或者幾個(gè)激光器光源以及光功率計(jì)、光回波損耗儀、擾偏器。測(cè)試時(shí)，使用光開(kāi)關(guān)來(lái)切換各個(gè)光源同儀表之間的連接，切換過(guò)程是自動(dòng)化的，能夠提升整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試效率。但是，這種方法測(cè)試的結(jié)果不能反映被測(cè)器件的詳細(xì)光譜特性，只能被認(rèn)為是“若干點(diǎn)”的測(cè)試結(jié)果。

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

為了評(píng)估這些測(cè)試方法的效率，我們以測(cè)試一個(gè)8通道的CWDM無(wú)源光器件的插損(IL)為例來(lái)估算一下測(cè)試時(shí)間。首先，為了測(cè)定每個(gè)通道的損耗，我們需要掃描8次。接著，為了測(cè)量各個(gè)通道之間的隔離度(以前稱(chēng)為“串?dāng)_”)，測(cè)試時(shí)需要調(diào)寬光譜儀的波長(zhǎng)分辨率來(lái)提高測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍，再至少掃描8次以上。因此，僅測(cè)試這一個(gè)光器件的插入損耗特性就需要花費(fèi)10分鐘的時(shí)間。這會(huì)給器件的生產(chǎn)成本帶來(lái)較大影響，尤其是PDL、ORL這些指標(biāo)也需要類(lèi)似的測(cè)試時(shí)間。因此，當(dāng)大批量生產(chǎn)這些器件的時(shí)候，測(cè)試時(shí)間便成為瓶頸。

波長(zhǎng)掃描法，也稱(chēng)為(光)頻率掃描法。這是一種令人關(guān)注的方法，通常被稱(chēng)為“波長(zhǎng)掃描法”，系統(tǒng)中有多個(gè)光探測(cè)器。也有人稱(chēng)前面介紹的采用寬譜光源加光譜分析儀的測(cè)試方法為波長(zhǎng)掃描法。不同的是現(xiàn)在介紹的這個(gè)方法是產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)可以連續(xù)變化的單波長(zhǎng)(單頻)光信號(hào)，送到被測(cè)器件，變化光波長(zhǎng)和偏振態(tài)，檢測(cè)器件輸出光的功率。采用一個(gè)光探測(cè)器就可以測(cè)試光器件的響應(yīng)，這樣就可以確定插入損耗、偏振相關(guān)損耗以及回波損耗等參數(shù)。

這種測(cè)試方法通常使用可調(diào)諧激光器，它的波長(zhǎng)可以連續(xù)變化;需要測(cè)量PDL時(shí)，加上偏振控制器就可以了。如果測(cè)試系統(tǒng)中集成了多個(gè)探測(cè)器，這最好不過(guò)了，掃描一次就可以測(cè)量出全部信道的參數(shù)。這樣可以加快多端口光器件的測(cè)試過(guò)程。提高測(cè)試速度的最終辦法就是系統(tǒng)中要有消偏振的掃描光源、偏振分集接收探測(cè)器(每個(gè)極化方向?qū)��?yīng)一個(gè)光探測(cè)器)。例如，測(cè)試一個(gè)32通道的光器件，就需要128個(gè)光電探測(cè)器，32個(gè)用于分離偏振態(tài)的光路，此外還有相關(guān)的電路。這會(huì)造成系統(tǒng)很復(fù)雜、昂貴，沒(méi)有商用價(jià)值。

單個(gè)可調(diào)諧激光器光源(TLS)波長(zhǎng)變化的范圍只有100nm~150nm，不超過(guò)200nm;所以現(xiàn)今使用的系統(tǒng)，全波段掃描是通過(guò)控制一個(gè)或者多個(gè)可調(diào)諧激光器光源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)系統(tǒng)要處理寬的光譜范圍時(shí)，需要數(shù)據(jù)處理接口搜集處理相關(guān)信息。這樣下來(lái)使得系統(tǒng)復(fù)雜度增大。O波段的測(cè)試目前是個(gè)難題，因?yàn)橹挥泻苌俚目烧{(diào)諧激光器光源可以覆蓋這個(gè)波段;所以，能勝任C波段和L波段以外波長(zhǎng)范圍的測(cè)試的系統(tǒng)還很少。目前，完成一個(gè)8通道CWDM光器件插入損耗的測(cè)試，需要幾秒鐘，如果還需要測(cè)試偏振相關(guān)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(gè)光通信所用光譜范圍內(nèi)的參數(shù)，那將是很具有誘惑力的。因?yàn)檫@樣可以通過(guò)使用原來(lái)通道所相鄰的1271nm~1451nm波段范圍，將系統(tǒng)升級(jí)到16通道的CWDM。但是，圖2中所顯示的這個(gè)8通道的器件，其特性就不能滿足這個(gè)升級(jí)需求。

一種折衷方法

正如前文介紹的一樣，僅用一套測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法完成所有測(cè)試，在整個(gè)光通信所用光波段內(nèi)詳細(xì)分析無(wú)源光器件的特性是很麻煩的，除非全波段測(cè)試系統(tǒng)出現(xiàn)。

兼顧考慮測(cè)試時(shí)間和系統(tǒng)復(fù)雜度這兩個(gè)方面，最好的折衷方案是使用一個(gè)超寬帶的可調(diào)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(cè)器。這樣搭配出來(lái)的系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是測(cè)試耗時(shí)少。若該儀器采用全波段可調(diào)諧激光器，配合能高速同步的探測(cè)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(cè)試結(jié)果。例如，測(cè)試一個(gè)8通道的CWDM器件的插入損耗，10秒鐘即可完成;對(duì)于32端口的光分路器，完成插入損耗測(cè)試、偏振敏感度測(cè)試也不超過(guò)1分鐘。

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

盡管這類(lèi)儀器幾乎可用于所有的無(wú)源光器件的測(cè)試，但是由于它處理的波長(zhǎng)范圍只有400nm，因此更適用于FTTx以及CWDM這類(lèi)應(yīng)用。圖1、圖2所示就是這個(gè)測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

目前無(wú)源光器件的測(cè)試參照哪些標(biāo)準(zhǔn)?從技術(shù)的角度看，這主要受制于可調(diào)諧激光器和光探測(cè)器。由于FTTx和CWDM技術(shù)的演進(jìn)，像國(guó)際電聯(lián)(ITU)，以及國(guó)際電氣協(xié)會(huì)(IEC)等國(guó)際組織目前都在致力于研究和投票表決這些新提出的標(biāo)準(zhǔn)。在更寬的波譜范圍內(nèi)測(cè)試IL、ORL、PDL以及其他一些重要參數(shù)，根據(jù)器件的類(lèi)型，這個(gè)波譜范圍可以從O波段直到U波段;而對(duì)測(cè)試的要求正在向全波段發(fā)展。

實(shí)際上，人們心目中希望的測(cè)試系統(tǒng)要能夠用于單模光纖的整個(gè)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(nèi)能測(cè)試光器件損耗以及偏振，既能測(cè)與傳輸相關(guān)的參數(shù)，也能測(cè)試與反射相關(guān)的參數(shù)——就是實(shí)現(xiàn)所謂的“全波段”測(cè)試。

作者：Marie-Helenecote,Francois Babin，EXFO公司