2019年11月14日 | 光学测量仪器基础

    光学测量涉及一大类仪器，为了让博客内容比较的完整，简单的整理一下光学测量仪器的一些分类和基础知识。

    光学测量的被测件可按图1进行分类，主要分为3类：有源器件，无源器件，高速通信。有源器件主要有：调制器，发送器，接收机，放大器，MUX/DEMUX，光电和电光转换器，以及激光源。无源器件主要有：滤波器，光纤，光连接器，光分路器，光衰减器。高速通信主要有：40G/100G光通信，广播电视通信，光纤接入，4G通信，光纤无线电等。

图1   光学测量被测件分类

    按照公司的光学测量产品分类，分为3类：通用光学参数测试类仪器，光电/偏振/复杂调制类仪器，比特误码率和波形分析类仪器。

    通用光学参数测试类仪器主要有：可调谐和大功率激光源，光功率计，回波损耗测试仪，光衰减器，光开关，多波长计，光谱分析仪。

    光电/偏振/复杂调制类仪器主要有：光波元器件分析仪/光色散和损耗分析仪，偏振分析仪和控制器，光调制分析仪，任意波形发生器，光/电和电/光转换器。

    比特误码率和波形分析类仪器主要有：串行/并行误码仪，光示波器和模块。

光学仪器的典型特征

    1）可调谐激光源：指的是波长可调的激光源，一般覆盖1260nm到1640nm的波长范围，支持高动态范围的低光源自发辐射（SSE）输出，具有高波长精度的内置波长计，支持较快速的扫描（如80nm/s)，扫描时保证精度。

    光源自发辐射 (SSE) 指可调激光源激光二极管内所有自发辐射的总数，等于单色激光线加上宽带光输出。这种辐射会增加可调激光源的本底噪声，从而限制测量动态范围。

    2）大功率激光源：指的是可输出多种固定波长的大功率激光源，一般支持1310nm，1490nm，1510nm,1550nm,1625nm波长，波长微调范围+-500pm，输出功率一般高达20mW。

    大功率激光源可应用于PON器件的IL和PDL测试，以及激励响应测量；光纤跳线、耦合器和连接器的稳定性测试等。

    3）光功率计： 指的是测量光功率的仪器或模块，要求覆盖较宽的波长范围（如：450nm---1800nm），宽动态范围，高灵敏度，也可支持大功率测量，或多通道测试。

    4）回波损耗测试仪：指的是用于光接口回波损耗测试的仪器或模块，要求宽动态范围（如：75dB)，支持内置激光源或外部激光源。

    5）光衰减器：用于收发信机和接收机测试的关键附件，需要具备低插入损耗（如0.7dB),较好的波长平坦度，宽波长覆盖范围，高衰减分辨率（如0.001dB)等。

    6）光开关：需要具备较好的可重复性，额定使用寿命一般要超过10000次随机切换，要求低插入损耗和偏振相关性，单模或多模，可支持单1x4、双1x4和单1x13等。

    7）多波长计：用于测量输入信号的波长和功率，一般能够精确轻松地区分和测量多达1000个离散波长，同时测量各个离散波长的单个功率。可测试：1至1000个波长（单位：nm/THz或波数）和功率（单位：dBm/mW或uW)，平均波长和总功率，波长精度高（+-0.2ppm)，波长分辨率高（5GHz)，要能够针对空气或真空中测量进行校准，要能够测量WDM SONET/SDH系统的OSNR和平均OSNR，要结构坚固耐用，能够承受较强的冲击和振动。

    8）光谱分析仪：用于测量发光体的辐射光谱的仪器。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器，而新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器，调制光谱仪是非空间分光的，它采用圆孔进光根据色散组件的分光原理。光谱仪器可分为:棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。光谱分析仪的性能指标关注：波长范围（一般600nm---1750nm)精度（如+-20pm)和分辨率（RBW带宽，一般0.03---1nm），动态范围（一般60dB),扫描速度（如200ms)，最大输入光功率（如+23dBm)。

    9）光波元器件分析仪：用于测试光器件S参数的仪器，由矢量网络分析仪（PNA和ENA都可支持）和光电测试座组成。需要内置光功率计，可测试发射机的功率，也可监视设置用户选择的光发射机输出功率。

    10）光色散和损耗分析仪：用于测试光器件色散和损耗等参数的仪器，由网络分析仪和光电测试座，以及可调谐激光源组成。通过具有偏振分辨能力的快速波长扫描测量，对光色散和插入损耗进行全面分析，可以同时测量色散 (CD) 和群时延、偏振模色散 (PMD) 和 DGD、插入损耗 (IL)、偏振相关损耗 (PDL) 以及光长度和相位。主要用于：网络设备的设计和生产、特别是10 Gb/s和40 Gb/s传输设备；光纤制造、特别是当今用于CWDM系统的全频光纤；用于高速传输系统的色散补偿模块、光纤及DWDM滤波器的设计和生产。

    11）偏振分析仪和控制器：偏振分析仪全面分析光信号偏振特性的仪器，这包括 Poincaré球 (Stokes 参数 ) 上偏振态 (SOP) 的表示。内置算法和内置校准数据确保了在极宽波长范围内的高精度测试。凭借其实时测量能力 (1 MSa/s)，可适用于受扰和波动信号的分析，以及要求实时反馈偏振信息的控制应用。

    偏振控制器采用了高速固态光器件，可以快速转换输入信号的偏振。它们接收激光器发射的偏振输入信号，能够对偏振的输出状态进行调整、扫描或校准。

    12）光调制分析仪：对 40/100G 及以上传输系统的幅度和相位调制光信号进行全面测量和分析的仪器，由光解调测试座，宽带示波器和89601B矢量信号分析软件组成。分析方法类似于无线通信信号的分析，一般分析星座图，矢量幅度误差（EVM），相位误差，正交误差，IQ不平衡，I和Q眼图，物理层BER等。

    13）其他仪器，如误码仪、光示波器、任意波形发生器等都是通用测试仪器。

光学仪器的典型应用

1.扫描波长光学测量解决方案

图2   扫描波长测量

插入损耗 (IL) 测量
    结合使用一个或多个光功率计与可调激光源 (TLS)，可以支持光功率与波长关系测量。此类测量常用于确定被测器件输入功率与输出功率的比值，比值称为插入损耗，单位为 dB。当 TLS 在选中范围内调谐波长时，功率计将定时采样指定数量测量点的功率。通过一个触发信号与 TLS 扫描同步，这些样本能够实现与对应波长的精确相关。使用多个功率计可以同时测量多端口器件 (例如多路复用器、功率分离器和波长开关) 的输出。使用81600B、81940A 或 81980A TLS，以及功率计 (例如 816x 系列模块或多端口 N7744A 和 N7745A) 和免费的 N7700A IL 软件，可以组成一个测量系统。这些“波长扫描”例程的编程过程非常简单，可以使用免费的 816x 即插即用驱动程序，并应用 N4150A 光基础程序库 (PFL) 的测量功能进行增强。该测量装置在 TLS 后与 81610A 回波损耗模块连接，还可以测量光反射 (回波损耗)。

    这些激光源中内置波长监测功能，可以确保高波长精度和可重复性，特别是在快速波长扫描的过程中。这些“波长记录”数据利用测量触发信号实现与功率计的同步。如果需要更高的绝对波长精度，可通过气体参考信号进行偏置校准，PFL 支持工程师方便地完成校准操作。InGaAs 功率检测器在单模光纤波长范围 (1260-1630nm) 内具有极小的响应度变化以及高灵敏度和宽动态范围，是进行此类测量的最佳工具。N7744A 和 N7745A 功率计特别适合这些扫描波长测量: 快速采样率和宽信号带宽可在高速扫描时获得高分辨率的测量结果，而且测量迹线没有失真。更快的数据传输速度可以极大提高吞吐量，尤其适合端口数量极多的情况。

    如果插入损耗在某些波长条件下较低，在另一些波长条件下较高 (高动态范围)，例如 DWDM 器件，那么 TLS的宽带自发辐射必须非常低，以避免当 TLS 波长超出该频段时，器件的通带中存在发射光。81600B TLS 提供具有极低光源自发辐射 (SSE) 的光，特别适用于动态范围大于 40-50 dB 的器件。功率计的动态范围也非常重要。在多个功率范围内进行测量并“缝合”结果迹线可以捕获最强和最弱的信号，从而扩展动态范围。816x P&P 也可以提供这种缝合功能。

偏振相关损耗 (PDL)
    实际光信号通常带有偏振，必须确定偏振相关的插入损耗变化: 包括确定在所有预定波长、所有线性和圆偏振组合条件下，最大和最小插入损耗与偏振的关系。这可以通过测量一组四个 (也可选择六个) 偏振上的扫描波长 IL (从中可以计算出任何其他 IL) 来实现。该方法称为米勒矩阵 (Mueller Matrix) 法。测量装置包括一个位于TLS 后面的偏振控制器，可将光偏振输入被测件: 8169A偏振控制器在 PFL 软件的支持下，连续输入每个偏振，进行独立的 TLS 扫描。N7786B 能够快速进行偏振开关切换，并监测 SOP 和功率，甚至可在单次波长扫描过程中测得 PDL。N7700A PDL 软件例程可以使用这种创新方法进行测量和计算，例如分辨 TE/TM 光谱和确定偏振相关波长。

色散 (PMD 和 CD)
    高数据速率条件下，例如 10 Gb/s 及以上，信号不同部分通过网络的时间不完全一致，因而会导致数据脉冲展宽。这种时间，即群时延 (GD) 上的变化称为色散。GD 与偏振的相关性称为偏振模色散 (PMD)，使用差分群时延 (DGD) — 即器件中最快偏振与最慢偏振的 GD 差— 来描述。测量一组偏振上的扫描波长也可以执行测量，但需要使用偏振分析仪作为接收机。该方法称为琼斯矩阵本征分析法 (Jones Matrix Eigenanalysis)，结合使用 N7788B 器件分析仪和 TLS 可以实现此类测量。该系统可测量单通道 DGD、PDL、IL，而 N7700A Polarization Navigator 软件可通过单次波长扫描测量其他高级参数，实现最佳的稳定性和速度。最后，色散 (CD) 是描述 GD 本身与波长之间关系的变量，是光纤特别是波长选择器件的重要特性。要以高精度和足够的波长分辨率测量该特性，可以采用调制相移 (MPS) 法实现。该方法将会对TLS 信号进行幅度调制，并会确定信号在经过器件时其相移与波长的关系变化。86038B 光色散与损耗分析仪使用增强型 MPS 偏振相关实施，频率在 10 MHz 与 2.5 GHz 之间可调，以便优化波长分辨率和精度。此类装置可以测量GD、CD、DGD、PDL、IL 和其他参数的光谱。

2.瞬时功率测量

使用多端口光功率计进行瞬时功率测量
    通过测量光功率电平变化以确定光纤切换时间，从而观察光纤移动或网络重新配置所带来的瞬时波动，这已经超出了大多数光功率计的设计功能。这些传统光功率计通常仅用于对光功率电平 (常数或与其他仪器同步变化) 进行校准测量。传统仪表的典型采样率 (约 10 kHz)、数据容量 (约 100,000 个样本) 以及到控制器的数据传输速度往往不足以支持此类时间相关应用。另外一些方法，例如结合了示波器的快速光电转换器，已经在实际中得到应用，并在部分标准中得以采用。然而，这些方法往往以光功率校准为代价，需要额外的整合，并且对示波器带宽提出了额外的要求。

    现在，N7744A 4 端口和 N7745A 8 端口光功率计通过一个小巧完整的可编程仪器，并配合控制器计算机，可以轻松进行这些测量。这些新型功率计能够以高达每秒百万次的可选采样率精确记录光功率，每端口存储高达200 万个样本，通过 USB 或 LAN 快速传输数据，支持同时进行测量和数据传输，实现不间断的持续功率监测。新型 N7747A 和 N7748A 高灵敏度功率计可以用于相同的目的，区别在于较低的带宽将采样速率降低至万次/秒，但能够提供更低的噪声，适用于弱信号测量。

记录功能基础
    使用光功率计的记录功能，可以非常容易地对时间相关信号进行测量。工程师可通过选择记录采样数 N 和每个样本的平均时间 t 来设置记录功能，然后使用编程命令或电触发信号来启动测量。经过配置的光功率计可在触发后测量 N 个样本或单独样本，并记录所有测量结果。为了记录时间相关性，通常将测量配置为在整个时间段 Nt 中不间断地记录所有样本。

图3   瞬时功率测量

    为了保持完整性，仪器还提供了一个稳定性功能。该功能具有相同的执行方式，但在样本之间有一个可编程的驻留时间。这非常适用于测量功率计的长期变化，类似于信号源稳定性测试，但本文不做进一步探讨。N7744A 和 N7745A 多端口功率计 (MPPM) 可同时对最多 8 条光纤上的信号进行这种记录。平均时间的可选范围为 1 μs 至 10 s，最大采样数为 100 万样本。记录过程中，仪器可以记录超过 60 dB 的宽动态范围，平均时间为 100 μs 或 100 μs 以上，可选择的最大功率范围为 -30dBm 至 +10 dBm (10 dB 步进)。MPPM 经过配置后，也可在前一个测量结束后启动针对 N 个样本的新一次记录测量。在进行新测量的同时，功率计可以将现有的结果上载到控制器计算机中。这几种功能提供了两种瞬时测量方法，分别称为触发记录法和连续记录法。

    触发记录用于测量从选件选定时间开始，或从电信号开始的固定数量样本，以便与被测事件进行同步。如果事件时间也可控，适合使用触发记录法来设置开关或快门，改变衰减器，或将输入信号阻塞到放大器或ROADM (可重新配置的加减多路复用器)。由于每端口可存储 100 万个样本，因此单次记录测量通常已经足够。

    仪器具有多个端口，因而可以在重新配置期间轻松地查看开关的所有输出端口。使用这种方法，可以完成 IEC标准 61300-3-21 中描述的类似测量，包括光放大器的开关时间、颤动 (bounce) 时间或瞬时表征。连续记录最适合记录时间不可预期的事件，或是保留数量极大的样本。IEC 61300-3-28 中描述的瞬时损耗测量是一个典型应用，目的是监测机械故障引发的光纤信号功率变化。这种方法可以借助上面提及的相同记录功能进行编程，但扩展特性是可以多次重复使用记录顺序。使用多线程编程可以在采集数据的同时进行此类实时处理，以避免中断数据流。Agilent VEE 9.0 和更高版本现已提供这一功能。

3.光电器件的波长和偏振相关特性表征

    越来越多的光纤器件与具有无源光功能和电子电路的二极管整合。重要的实例包括:
    ● 集成相干接收机
    ● DPSK 接收机
    ● 光通道监视器
    上述设备都包含光输入端口和电或射频输出端口。光信号通过二极管的无源部分后，例如偏振镜、分离器或干涉仪，二极管将生成光电流。二极管对输入信号的响应度 (mA/mW 单位) 取决于波长和偏振，而响应度是器件的基础性能参数。此类器件测量方法与PDL 测量相同，区别在于使用光电流记录设备取代光功率计。N7700A-100 IL/PDL 引擎软件支持该设置。

    通过波长扫描测量输入光信号功率和输出二极管电流，计算偏振平均值和状态可以获得响应度。

    这也将确定 SOP 的最大和最小响应度，以帮助偏振ICR 等器件，获得偏振多路复用信号。偏振相关也可以显示为 PDL，同是计算 TE/TM 迹线，以用于光光测量。

    对于平衡探测器件，还可以确定探测器对的共模抑制比 (CMRR)。N7700A-100 软件能够通过额外的测量步骤，即持续扫描一组固定波长点的大量 SOP，来提供更丰富的功能。用户可以选择测量点的数目，以平和测量时间与分辨率。测量可以达到 20 dB 以上的极高精度。

    如果需要将光电流转变为射频输出信号，例如 ICR等器件，应用偏置电压通常可以测量“CW”光电流
如果需要确保偏振和隔离偏置的灵活度，推荐使用 B2900A 系列电源测量单元。

PDL 和 PER 全态方法
    对被测器件所有的可能状态进行大量采样并扫描被测器件的光输入偏振，该方法称为偏振相关损耗全态PDL 测量法。该方法适用于测量低波长相关器件，可以在扫描期间固定波长。光纤耦合器、分离器和隔离器都是应用上述方法的典型器件。测试偏振光束分离器和其它高 PER 器件也可以应用上述方法，因为该方法会采样具有高偏振消光的状态。

    通常，监测输出光功率同时扫描输入偏振可以执行此类测量，因此测量精度将取决于仪器的偏振相关性，尤其偏振控制器。借助光纤环路的机械移动可以大幅降低功率电平的偏振相关度，但会限制测量速度。

    N7785B 同步扰码器可支持快速精确的测量。该设备经过编程可以提供贯穿一系列偏振状态的高速可重复步进，同时生成同步触发。N7785B 可以缩短测量时间，支持最佳的探测器平均时间，并标准化测量结果，移除设置的偏振相关。

图4   同步全态测量的典型设置

    测量高达 1 dB 的 PDL 值时，100 个采样足以支持最小值/最大值比例在 PDL 值的 10% 范围。因此，使用 100 μs 平均时间可以在 50 ms 内完成有效测量。测量远低于 0.1 dB 的 PDL 值时，噪声将对性能产生限制，并且需要更长的求平均时间。使用稳定装置的 10 ms 平均时间可以提供 10 分钟或更长时间内低于 0.005 dB 的重复性。10 ms 平均时间也支持使用激光源的控制功能，以避免由于装置本身反射导致的干扰效应。同样，使用约 100 个采样可以保证上述有效的测量。

    高消光比测量范围等同于最低传输值。使用随机SOP 码型时，应用众多样本和样本平均时间内最小 SOP变化可以改善上述测量，因为偏振开关相对于连续扫描有一定的优势。要确保 30 dB PER 以上的测量，推荐使用2 万或以上的样本。例如，使用 100 μs 求平均时间，2 万个样本序列需要 8 秒时间。

4.相干发射机和调制器测试

   发射机信号完整性表征
   ● 发射机信号性能验证
   ● 验证最佳调整偏置电路和偏移
   ● 发射机厂商资格验证
   ● 制造过程最终的合格 / 不合格测试
   ● 用于提供最佳信号保真度的发射机部件评测

图5  发射机信号完整性表征

   零差部件表征
   ● 部件评测和载波激光器相位噪声相互独立
   ● 系统中的调制器认证
   ● 调制器应用验证
   ● 通过先进调试来检测潜在的发射机问题

图6   零差部件表征
 

   部件评测
   ● 经济高效的调制器评测
   ● 经济高效的调制器驱动程序评测
   ● IQ 调制器应用软件的最终标准测试
   ● 使用零差测试设置来评测相位噪声的影响

 
图7  部件评测

主要测试内容：

    光星座图
    在星座图中，信号信息仅在符码时间的中段显示。由此显示了接收机在确定已发射数据时的时间戳。这些点通常称为探测决定点，也可被称为数字符码。星座图有助于识别幅度失衡、政教误差或相位噪声等。当基于统计数据计算 BER 时，需要像基于 Q 因数的BER 计算一样，使用高斯噪声失真。彩色编码显示选件可以快速显示基于噪声统计的 BER 计算要求是否得到满足。对于复杂的调制信号，统计 BER 是根据 EVM 计算而得出。

    符码表 / 误差概述
    结果表是矢量分析软件的一个重要工具。借助这些标量参数，能全面地分析发射机质量，并找出在相干光发射机中最有可能的误差源。
    下表简要描述了这些参数 :
    ● EVM 用于检查整体发射机信号失真，包含噪声
    ● I-Q 偏置用于检查发射机调整
    ● 正交误差用于验证在发射机调制器中的 90° 偏置点调整
    ● 发射机 I 和 Q 信号路径的增益失衡 ( 未显示 )
    ● 基于信噪比的 EVM 测量

    EVM 极限测试
    误差矢量幅度 (EVM) 是一种标量，通过计算一个数据记录脉冲中所有已测符码的误差矢量 rms 值而得出。

性能良好的发射机会在所有符码中显示类似于白噪声的误差矢量分布。极限测试功能可以检测任何与客户定义数值不一致的地方，并以不同颜色在屏幕上突出显示，如左图所示。此外，该软件还提供不合格测试指示。在制造过程中，通过易于使用的 SCPI 软件界面，可以控制和查询测试结果。

5.OFDM 的深入研究

    OFDM 是一种非常复杂的调制机制，它不但要分配随时间变化的连续矢量信息，还要分配随频率变化的可定制的子载波数。每个子载波都可采用不同的调制机制。此外，在大多数情况下，为了实现同步还需要检测出导频音。采用这种客户可定制的 OFDM 解码器，几乎可以设置所有种类的数字 ODFM 信号的变种，并可在接下来采用各种方式进行检测和分析。以下是一些示例。