使用具有亞皮米級(jí)分辨率的CTP10——鑒定無源光器件的精細(xì)光譜響應(yīng)

簡  介

  本文介紹了CTP10平臺(tái)如何利用內(nèi)置的高分辨率功能，以亞皮米級(jí)波長分辨率執(zhí)行光譜測量。

  CTP10是一個(gè)模塊化、高性能的多端口檢測系統(tǒng)，可與EXFO的系列連續(xù)掃頻可調(diào)諧激光器結(jié)合起來測試無源光器件。在CTP10平臺(tái)的各種可選模塊中，IL RL OPM2、IL PDL OPM2和SCANSYNC模塊提供了一款全面集成的解決方案，可在保持高性能的同時(shí)，以高達(dá)20 fm（飛米）的波長分辨率執(zhí)行掃頻插損（IL）、偏振相關(guān)損耗（PDL）和回?fù)p（RL）測量。

  在使用CTP10的標(biāo)準(zhǔn)波長檢測模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的最佳分辨率（即兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的波長間隔）為1 pm（皮米），滿足當(dāng)前研發(fā)和制造的大部分需求。現(xiàn)在，光子集成電路（PIC）器件有許多新的應(yīng)用，如高Q值環(huán)形諧振腔和具有超精細(xì)光譜響應(yīng)的器件。因此，要精準(zhǔn)地鑒定這些器件的光譜，就需要亞皮米級(jí)的分辨率，這也是促使CTP10引入高分辨率波長檢測模式的原因所在。

  有了如此高的光譜采樣分辨率，就可以進(jìn)行更先進(jìn)的測量，如掃頻干涉測量（SWI）、激光器光源的零差檢測和光頻域反射測量（OFDR）。本文通過概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)介紹了前兩種應(yīng)用。在EXFO網(wǎng)站（EXFO.com）上有另一篇應(yīng)用說明詳細(xì)介紹了如何使用CTP10進(jìn)行OFDR測量。

在CTP10中設(shè)置高分辨率測量

  在CTP10上進(jìn)行IL測量時(shí)，需要將IL RL OPM2或IL PDL OPM2模塊與SCAN SYNC模塊結(jié)合起來使用，如下圖所示。

  圖1：在CTP10上使用IL PDL OPM2、SCAN SYNC、OPM（光功率計(jì)）和PCM（光電流計(jì)）模塊，以亞皮米級(jí)分辨率進(jìn)行掃頻IL測量的物理連接圖。

  圖1給出了使用CTP10進(jìn)行IL和PDL測量時(shí)的典型配置示意圖。

  · 使用以太網(wǎng)線纜將可連續(xù)調(diào)諧激光器連接到CTP10主機(jī)上，這樣就可以通過CTP10接口完全控制激光器的掃描操作。

  · IL PDL OPM2模塊可在掃頻過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測激光器的功率變化情況并提供補(bǔ)償。將一部分光從IL PDL OPM2模塊發(fā)送到待測設(shè)備 (DUT)，另一部分發(fā)送到SCAN SYNC模塊。

  · 借助SCAN SYNC模塊，可以亞皮米級(jí)分辨率進(jìn)行動(dòng)態(tài)的波長測量。

  · 待測光器件的各個(gè)輸出端口連接到OPMx模塊中的功率計(jì)。

  在高分辨率模式下，為了確保激光器掃描期間的同步，需要將激光器側(cè)的TRIG OUT端口與CTP10背面的 TRIG IN端口進(jìn)行BNC電氣連接。

CTP10界面內(nèi)的高分辨率配置

  還必須在CTP0的圖形用戶界面（GUI）中進(jìn)行亞皮米級(jí)的分辨率配置。同樣，與典型CTP10配置的唯一區(qū)別是，在圖形用戶界面的子系統(tǒng)選項(xiàng)卡中，在激光器的TRIG OUT端口與CTP10的TRIG INx端口之間增加了一個(gè)虛擬鏈路（見圖2左下方 - TRIG IN 1）。所選的TRIGINx端口（x為1至8）必須與CTP10背面的物理連接相對(duì)應(yīng)。

  圖2：CTP10 GUI中的高分辨率模式配置。CTP10子系統(tǒng)包括一個(gè)IL PDL OPM2、一個(gè)SCAN SYNC和一個(gè)OPM6模塊?？稍贑TP10 GUI子系統(tǒng)選項(xiàng)卡的左下方選擇CTP10中的TRIG INx端口。

  在建立虛擬連接后，就可以使用GUI內(nèi)掃描選項(xiàng)卡上的高分辨率采樣模式，如圖3所示。我們可以看到，高分辨率菜單提供五個(gè)選項(xiàng)供用戶選擇——從0.5 pm到0.02 pm（即從500 fm到20 fm）。在選擇完所需的波長分辨率，并以相應(yīng)的分辨率確定檢測器的正確參考后，系統(tǒng)就可以執(zhí)行測量了。

  圖3：在CTP10 GUI的掃描選項(xiàng)卡內(nèi)，選擇高分辨率模式下的采樣分辨率。

應(yīng)  用

  實(shí)現(xiàn)亞皮米級(jí)測量的能力為CTP10的新應(yīng)用打開了大門，在這此類應(yīng)用中，CTP10可以大顯身手。例如，光譜分辨率提高10倍，光頻域反射儀設(shè)置的測量范圍就會(huì)提高10倍。

  下面是一些用例，在這些用例中亞皮米級(jí)分辨率對(duì)于鑒定待測設(shè)備至關(guān)重要。

  用例1——測量集成光子環(huán)形諧振腔的超精細(xì)響應(yīng)。

  如果在IL測量中使用更高的分辨率，就可以在高Q值環(huán)形諧振腔的光譜鑒定方面提供顯著優(yōu)勢。例如，圖4顯示了Q值為600萬的環(huán)形諧振腔在波長為1550.000 nm，分辨率分別為1 pm和20 fm時(shí)的光譜響應(yīng)對(duì)比情況。在分辨率為20 fm時(shí)，可以看到諧振腔吸收線的洛倫茲線形，而在分辨率為1 pm時(shí)則很難評(píng)估峰值的形狀和最大損耗。

  圖4：使用CTP10測量高Q值環(huán)形諧振腔的光譜響應(yīng)，分辨率分別為1 pm（紅色）和20 fm（藍(lán)色）。設(shè)備由CEA-Leti提供。

  在對(duì)有精細(xì)光譜的設(shè)備進(jìn)行PIC鑒定時(shí)，CTP10除了具備其它重要的優(yōu)勢外，還可以使用內(nèi)置的亞皮米級(jí)功能。事實(shí)上，即使在高分辨率模式下，還可以持續(xù)追蹤波長精準(zhǔn)度、可重復(fù)性、光功率動(dòng)態(tài)范圍和功率變化情況，使其它掃頻激光器相形見絀。掃描速度與分辨率有關(guān)，例如在以0.1 pm的分辨率進(jìn)行光譜鑒定時(shí)，掃描速度為100 nm/s。

  圖5顯示的是另一臺(tái)高Q值環(huán)形諧振腔的光譜鑒定結(jié)果，所用的分辨率為0.1 pm，掃描速度為100 nm/s。CTP10測量結(jié)果顯示出環(huán)形諧振腔吸收線的洛倫茲線形，同時(shí)維持了在波長可重復(fù)性和動(dòng)態(tài)范圍方面的性能。

  圖5：使用0.1 pm的分辨率測得的高Q值環(huán)形諧振腔的光譜響應(yīng)。在掃描速度為100 nm/s時(shí)，CTP10的響應(yīng)呈現(xiàn)出預(yù)期的吸收線洛倫茲線形。

  用例2——掃頻干涉測量（SWI）

  SWI是一種基于頻率的域干涉測量技術(shù)，用于光器件的傳遞函數(shù)（插損，TF）的單次掃描和高分辨率光譜測量。能夠以偏振平均組延遲、色度色散和其它線性參數(shù)的形式獲得精準(zhǔn)的光譜振幅和相位測量值。在本文中，我們僅根據(jù)CTP10測量的干涉圖來確定馬赫-曾德爾干涉儀的光路長度差。

  下圖顯示了用于記錄基于光纖的馬赫-曾德爾干涉儀干涉圖的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。干涉儀的光路長度差與時(shí)間延遲τ0相對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生的干涉圖的FSR等于1/τ0，這意味著根據(jù)奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理，CTP10要正確測量干涉圖，其采樣分辨率必須達(dá)到 1/（2τ0）的數(shù)量級(jí)。當(dāng)分辨率設(shè)置為0.02 pm時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)采樣頻率約為2.56 MHz，測量范圍可達(dá)40 m。

  圖6：用于記錄基于光纖的馬赫-曾德爾干涉儀干涉圖的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。為了優(yōu)化干涉條紋的可見度，必須使用偏振控制器。

  我們可以在頻域干涉圖上應(yīng)用快速傅立葉變換（FFT），精準(zhǔn)地確定干涉儀的光路長度差（見圖7）。該干涉儀的時(shí)間延遲τ0為 21.1 ns，對(duì)應(yīng)的光路長度差L約為4.3 m（L = τ0 * c/n，其中c為光速，n為折射率，光纖的n =1.469）。

  圖7：基于光纖的馬赫-曾德爾干涉儀干涉圖以及利用FFT確定其光路長度差。上——在頻域中繪制干涉圖。干涉圖的FSR約為50 MHz。下——干涉圖的時(shí)域傅立葉頻譜顯示出與干涉圖周期性相關(guān)的峰值。

  用例3——零差檢測：波長計(jì)仿真。

  使用零差檢測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)極為精準(zhǔn)的光源波長測量，該技術(shù)包括在光電檢測器上將待測光源（SUT）：激光器類且波長固定，與連續(xù)掃頻可調(diào)諧激光器組合或混合起來。當(dāng)兩個(gè)光源的光譜相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣。通過測量這個(gè)干涉圖樣，可以確定待測光源的發(fā)射波長。

  圖8：在CTP10中實(shí)施零差檢測技術(shù)。當(dāng)待測光源與掃頻可調(diào)諧激光器的光譜相同時(shí)，在光電檢測器中將它們組合或混合起來會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣。通過測量干涉圖樣，可以確定待測光源的發(fā)射波長。

  在CTP10中，零差檢測可以提供掃頻激光器掃描過的峰值波長值。當(dāng)掃頻激光器波長接近待測光源的峰值波長時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，在待確定的標(biāo)稱波長處具有最高峰值。圖8顯示了進(jìn)行波長測量的設(shè)置。它包括一個(gè)2 x 1光耦合器，將待測光源和T200S掃頻可調(diào)激光器組合起來。耦合器的輸出端連接到CTP10中的一個(gè)檢測器，該檢測器的光功率被限制為+10 dBm。為了觀測到最佳的干涉效果，必須注意在光耦合器的待測光源與掃頻激光器中發(fā)射相同的偏振和相等的光功率。此外，還設(shè)置了高達(dá)20 fm的采樣分辨率，以分辨干涉條紋。

  為了提高波長測量的精準(zhǔn)度，會(huì)使用CTP10上的C2H2氣體腔來確定參考的光學(xué)波長。該流程已內(nèi)置在CTP10 GUI中，只需幾秒的時(shí)間即可完成。

  在下圖中，我們繪制了鎖相DFB激光器在1530.3686 nm參考波長處光譜線的十次測量結(jié)果。這十次測量結(jié)果的集合定義了中心波長所在的0.5 pm處的FWHM；在本例中為1530.3685 nm。由于待測光源和掃頻可調(diào)諧激光器沒有相互鎖定，因此每次測量的主峰位置有所不同。此外，可見的干涉條紋數(shù)量有限，這是因?yàn)榭捎玫臋z測帶寬為10 MHz左右。

  圖9：鎖相DFB激光器在1530.3686 nm參考波長處光譜線的十次測量結(jié)果。

總  結(jié)

  高分辨率的光譜測量使CTP10能夠在多種應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用，提供從500 fm到20 fm的采樣分辨率，同時(shí)持續(xù)追蹤波長精準(zhǔn)度、可重復(fù)性、光功率動(dòng)態(tài)范圍和功率變化情況。借助CTP10器件測試平臺(tái)以及EXFO的連續(xù)可調(diào)諧掃頻激光器T200S和T500S，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的光譜測量。