光无源器件的测试
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上传人：admin 上传时间： 2007-02-09 浏览次数： 92 |
光无源器件测试是光无源器件生产工艺的重要组成部分，无论是测试设备的选型还是测试平台的搭建其实都反映了器件厂商的测试理念，或者说是器件厂商对精密仪器以及精密测试的认识。不同测试设备、不同测试系统搭建方法都会对测试的精度、可靠性和可操作性产生影响。本文简要介绍光无源器件的测试，并讨论不同测试系统对精确性、可靠性和重复性的影响。
在图一所示的测试系统中，测试光首先通过偏振控制器，然后经过回波损耗仪，回波损耗仪的输出端相当于测试的光输出口。这里需要强调一点，由于偏振控制器有1～2dB插入损耗，回波损耗仪约有5dB插入损耗，所以此时输出光与直接光源输出光相比要小6～7dB。可以用两根单端跳线分别接在回损仪和功率计上，采用熔接方式做测试参考，同样可采用熔接方法将被测器件接入光路以测试器件的插损、偏振相关损耗(PDL)和回波损耗(ORL)。
该方法是很多器件生产厂商常用的，优点是非常方便，如果功率计端采用裸光纤适配器，则只需5次切纤、2次熔纤(回损采用比较法测试*)便可完成插损、回损及偏振相关损耗的测试。但是这种测试方法却有严重的缺点：由于偏振控制器采用随机扫描Poincare球面方法测试偏振相关损耗，无需做测试参考，所以系统测得的PDL实际上是偏振控制器输出端到光功率计输入端之间链路上的综合PDL值。由于回损仪中的耦合器等无源器件以及回损仪APC的光口自身都有不小的PDL，仅APC光口PDL值就有约0.007dB，且PDL相加并不成立，所以PDL测试值系统误差较大，测试的重复性和可靠性都不理想，所以这种方法不是值得推荐的方法。改进测试方法见图2所示。
在图2测试系统中，由于测试光先通过回损仪再通过偏振控制器，所以光源输出端与偏振控制器输入端之间的光偏振状态不会发生大的变化，也就是说系统可测得较准确的DUT PDL值。然而问题还没有解决，PDL是可以了，但回波损耗测试却受到影响。我们知道，测试DUT回波损耗需要先测出测试系统本身的回光功率，然后测出系统与DUT共同的回光功率，相减得出DUT回光功率。从数学上容易理解， 系统回光功率相对越小，DUT回损值的精确度、可靠性以及动态范围就会越好，反之则越差。在第二种系统中，系统回光功率包含了偏振控制器回光功率，所以比较大，进而限制了DUT回损测试的可靠性和动态范围。但一般而言，只要不是测试-60dB以外的回损值，这种配置的问题还不大，因此它在回损要求不高的场合是一种还算过得去的测试方法。除了上述两种测试方案以外，还有一种基于Mueller矩阵法的测试系统(图3)。
这种测试系统采用基于掺铒光纤环的可调谐激光器(EDF TLS)而并非普通外腔式激光器，这点很重要，后文还有论述，此外它还加上Mueller矩阵分析法专用的偏振控制器、回损仪和光功率计。由于采用Mueller矩阵法测试PDL时要求测试光有稳定的偏振状态，所以可调谐光源与偏振控制器之间以及偏振控制器与回损仪之间要用硬跳线连接，这样可以排除光纤摆动对测试的影响。用Mueller矩阵法测试PDL需要做参考，所以在一定程度上可以排除测试链路对PDL测试的影响，因此这个系统可以得到较高的PDL测试精度以及回损与插损精度，测试的可靠性和可操作性都很好。在该系统中每个测试单元不是独立地工作，它们必须整合为一体，可调谐光源不停扫描，功率计不停采集数据，测试主机分析采集所得数据，最后得出IL、PDL和ORL随波长变化的曲线。这种方法目前主要用在像DWDM器件等多通道器件测试上，是目前非常先进的测试方法。
上述三种测试方法中，笔者认为除了最后一种方法是测试DWDM多通道器件实现快速测试的最佳方案以外，其它两种方法都不足取，原因是它们都一味强调方便，而忽略了精密测试的精确、可靠性及重复性的要求。这也是为什么很多器件厂家测试同样的产品，今天测和明天测结果会大相径庭的原因。解决办法参见图4的耦合器测试装配方式。
利用图4的配置可以一次得出器件的回损和方向性参数，以及器件PDL和平均IL。由于测试激光光源为偏振光源，这样对于器件插损测试就有一个PDL值大小系统测试的不确定性，如果器件本身PDL较大会比较成问题，所以采用去偏振器进行平均损耗测试。
这种测试方法的优点是测试稳定准确，基本排除了理论或系统误差，甚至抑制了随机误差，如插损采用无源去偏振器测试，缺点是需要搭建三个工位。EXFO公司资深专家、国际电联PMD组主席Andre Girard有一句口头禅，叫做Nothing perfect！器件测试也是这样，是想要测试方便，但测试可靠性、重复性下降，还是想要测试可靠性与精度较高，但测试相对麻烦呢？一切都在个人取舍之间。上面是从测试工位的搭建即测试工位的拓扑关系来讨论器件最佳测试，其实测试工艺中测试设备的选型占有更重要的位置。
下面分别论述测试光源、功率计、偏振控制器以及测试系统对测试精确性、可靠性和重复性的影响。
1．光源选择
测试光源是测试系统的激励源，由于用于测试而非用于传输，一般来说不需要功率太高，激光光源0dBm，宽谱源-10dBm/nm足以满足测试要求。同样因为是用于测试，光源的功率稳定度相当重要，除此之外还有一个相干长度的问题。其实任何激光光源都有相干长度的问题，一般FP或DFB激光光源的相干长度为1,000米或更长，人为使激光器的线宽变宽后也有10米左右，这就是说，只要测试系统的光路短于这个长度，就会有干涉，测试就会测不准或者可靠性降低。有一种基于掺铒光纤环的可调谐激光器很好地解决了这一问题，该激光器相干长度只有15厘米，而器件测试长度一般1～3米，所以一定不会有相干的影响，从而使测试值的稳定度、重复性和可靠性都非常高，是一种非常适合于器件测试的光源。
除了相干长度，激光光源信噪比是另一个关键参数，激光光源的信号与源自发辐射噪声的比值(S/SSE)是限制测试动态范围的关键因素。如果S/SSE只有60dB，那么当测试65dB的滤光片时由于滤光片不能滤去自发辐射噪声，所以测试只能显示60dB，导致测试失败。一般而言，可调谐激光光源的S/SSE有75dB，所以在要求测试大动态范围器件时应注意光源的S/SSE值。
对于宽谱源或ASE光源而言，波谱稳定度是一个关键参数，波谱稳定度是比积分功率稳定度更严格、更有意义的参数，它表征宽谱源在一段时间内波谱峰峰值变化的最大值。由于宽谱源一般配合光谱仪或波长计之类波长选择设备使用，所以积分功率稳定度对于测试没有太大意义。
2．功率计选择
功率计探测器的材料大致决定了功率计的整体性能，一般有Ge、Si、InGaAs等材料的探测器，除此之外还有一种低偏振反映度(PDR)探测器，这种探测器是在InGaAs探测器的基础上添加一些材料使得其对PDL非常不敏感，所以很适合用于PDL的测试。
除了材料之外，探测器面积是决定其用途的重要参数，探测器面积越大，其受光能力就越强，但灵敏度则会降低，反之亦然。所以一般用于校准的光功率计探测器面积都大于3mm2，用于探测很小的光功率如-100dBm光能量探测器面积一般为1mm2。一般来说如果光功率计采用裸光纤适配器，则要求光功率计探测器面积大于3mm2，否则光纤出射光很难充分耦合到探测器上，使测试重复性和可靠性大大降低。其实即使采用大面积探测器，裸光纤适配器中的光纤也极有可能触及探测器，导致探测器老化，使测试精度降低，所以一般建议采用熔接的方法，这样虽然增加了一次熔纤，但是确保了测试的长期稳定性和可靠性。
除了以上传统的探测器类型，还有一种宽口径积分球探测器技术。这种探测器的探测器面积相当于7mm2，由于采用积分球技术，所以它没有传统大口径探测器的表面不均匀性、光纤对准和光纤头容易触及探测器表面的问题，测试重复性也是传统探测器所无法相比的。
3．偏振控制器选择
对随机扫描Poincare球偏振控制器(PC)而言，扫描周期、覆盖Poincare球面积、偏振光经过PC情况以及由于PC导致的光功率波动值等都是一些关键参数。这些参数的意思很容易理解，这里只想着重论述由于PC导致的光功率波动对测试的影响。我们知道PDL的测试其实就是探测当传输光偏振态(SOP)发生变化时，通过被测器件的光功率变化的最大值，所以如果由于其它原因导致光功率发生变化，测试系统就会误以为这也是PDL，导致PDL测试过大。所以对于PC而言，光功率波动值将直接影响测试的准确度。
4.测试系统的选择
所谓测试系统主要是指两个以上测试表或模块联合工作，形成组合之后新的操作界面，并完成自动测试的测试设备。传统系统搭建是通过一台计算机，用GPIB口控制几台光测试仪表进行，这里着重介绍通过模块组装系统的方法。其主要思路是，测试主机本身就是一台标准电脑，测试主机带有5个插槽，可以插入测试模块，组成简单的系统，对于大的测试系统还可添加扩展机，主机与扩展机之间通过数据线连接。这样扩展机上的槽位与主机上的槽位没有任何区别，插在扩展机上的模块与插在主机上的模块在数据传输速率上也没有任何区别，所以这种组建测试系统的方法使得系统数据传输速度非常快，操作也很方便。扩展机上还可级联扩展机，以组成更大的系统，所以扩容性非常好，例如EXFO的IQS-12004B DWDM测试系统将可调谐光源、快速光功率计、Muller矩阵法偏振控制器和波长校准单元有机地结合起来，测试波长精度达5pm，只需点击鼠标就可测得IL、ORL和PDL随波长的变化曲线，并得出串扰矩阵，这也恰恰展示了利用主机+扩展机进行系统搭建的优势。
本文结论
本文从测试工位的拓扑结构以及测试设备选择两个角度论述了测试工艺的可靠性、精度与重复性。其实光器件的生产工艺是很复杂的学问，不是简单几句话就可说清楚，不同的产品工艺均有所不同，值得深入研究，这样才不至于出了问题还不清楚出了什么问题而手忙脚乱。
*所谓比较法测试回损是指采用标准回损跳线(一般为回损值14.7dB并经过国际相关组织认证的标准跳线)对系统进行校准，被测器件的回光与之比较得出回损值。这种测试回损的方法较传统法更为方便，测试值精度更高，且受光源、光功率计等的不稳定影响较小。
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