光无源器件测试方法
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以下是在插入损耗的测试可能会用到 的设备: z 连接器 z 接合器 z 隔离器, 前向 z 环形器, 适当路径 z 铌酸锂光调变器, 导通状态 z 光开关, 导向这个端口 z 衰减器, 设置最小值 z 滤波器, 传输波长内过滤 z 波导设备, 适当的通道和波长 z 连接器
均方根误差 为了计算测试系统的总误差, 你需
0
-40
-30
Power (dBm) Power (dBm)
-60
1300
Hale Waihona Puke Baidu
1400
1500
1600
1700
λ (nm)
图 8 光谱图 1550 nm EELED
从图 8 可以看出, 1550nm 的 EELED 能
够产生的光谱功率密度范围大概是
-30dBm, 这个波段是许多通讯上光器
件所使用的波段. 现在就有足够的能
18 # 无源器件基本测试方法
无源光器件基本测试方法
John Flower
介绍
由于对网络带宽要求不断提高, 用于 这种全光网络的器件的市场也不断扩 大. 本文章描述了无源器件测试的基 本原理, 对比几种不同的测试方法. 特别对测量宽带源和窄带源各种方法 的利弊进行讨论.
目前人们在这个领域已经开展了很多 的研究, 在你建立测试系统的时候可 以有很多的选择. 我们将对这些选择 进行更深一步的讨论, 希望能够对你 的测试系统的设计有所帮助. 在文章 的最后有参考资料的列表.
频谱相关损耗 大部分元器件对不同的波长的响应是 不一样的. 滤波器就是用来做这个的. 图 3 用来说明了一个窄带滤波器的典 型特点:
不足够, 看以下的关于PDL(偏振相 关损耗)的讨论.
tunable laser
Example: ECL
DUT
power meter
broadband light
DUT
broad wavelength range
more power is better
very smooth
Power
λ
图 6 理想宽带源
1. 将光谱分成小片断后, 要足够的 光功率.
2. 当调节检测器, 光功率发生变化 是DUT特性导致的, 不是光源导 致.
必须知道两个概念: 1. 光谱的功率密度
每纳米波长的功率 2. 光谱稳定度
22 + 32 = 4 + 9 = 13 = 3.6
隔离 如果你的被测器件要用来隔断光通道, 它是否工作正常? 隔离是一个简单的 损耗插入测试, 特别之处是,它最好的 结果就是信号大量损耗, 所以你将测 量到很微弱的信号. 以下列举的是在 隔离测试可能会用到的设备: z 隔离器, 反向 z 环形器, 反向通道 z 铌酸锂光调变器, 阻塞状态 z 光开关, 导向另外一个端口 z 衰减器, 设置到最大 z 滤波器, 传输波长外过滤 z 波导设备, 临近通道(色度亮度干
量来进行测试了. EELED 是一个不错
的选择. 然而, 它的输出可能达到
60%的偏振, 限制了它的使用.
ASE 光源 掺铒光纤在承载 980 nm 和 1480nm 波 段的光源的时候会产生十分有用的效 应. 这个特性被用来制作了掺铒光纤 放大器. 如果没有光源输入的时候, 自发光源在光纤中放大将会产生 1500nm 到 1600nm 波段的光. 图 9 说 明这是怎样实现的, 图 10 显示的是一 个典型的输出光谱.
扰测试)
分光比 分光器, 或者分接器, 都不进行波长 选择, 将光分成两分或者多份输出(每 个输出都有全部通道). 分光比可从 50/50 到 99/1. 如果分光器的分光比很 高, 我们一般称做分接器. 分光比是 一个很简单的度量单位, 图 2 演示了 一种测试方法:
light source
DUT switch (splitter) 图2 分光比
功率的稳定性是波长的一个功能 (应该有一个平滑的曲线)
不幸的是, 我们买不到这种理想的光 源. 我们以钨丝灯泡, 侧射型 LED( EELED )和自发射光源( ASE )为 例, 研究一下真正光源的平衡点.
一个理想的宽带光源应该有以下特性: z 在各种波长的情况下都有恒定的
光功率, 光谱特性即使不是水平 的, 也会比较平滑的.(这意味用 OSA扫描应该是平滑曲线) z 不受从测试系统或者 DUT 反射光 的影响 z 随机偏振 z 低成本
裸纤夹具最好不要接触端面. 如果 夹具可以让光纤在金属套圈里滑动, 就可以更方便的进行测量. 然而, 在 断裂的边缘处经常有微损伤(“散 裂”). 如果要进行光纤熔接, 这个损 伤将会降低光纤熔接后的品质.
如果重复性误差导致测量有太多的不 可靠因素, 使用光开关来进行的自动 测试的测试结果能否在容限内, 将会 是个大问题. 最简单的方式经常是最 精确的. 某些情况下, 你需要使用熔 接或者连接器来连接裸纤的两端.
本片文章主要是讨论”无源”器件, 所谓”无源”器件, 就是在对输入的 信号进行控制和处理的时候不需要外 部输入任何能源的元器件. 例如, 衰 减器, 熔融式耦合器, 光波分多路复 用器, 环形器, 光滤波器, 分光器, 分 接器, 隔离器, 波分滤波器, 布拉格光 栅, 波导设备等.
过程控制的测试
随着生产过程的日益成熟, 对生产中 各种过程变量的控制有了更好的掌握, 可以对生产测试进行改进. 例如, 在 产品生产的初期阶段, 应该对每个产 品进行全面细致的光谱扫描. 随着生 产流程的稳定, 你会发现只要生产流 程受控, 所有的扫描的结果几乎都是 一样. 更重要的是, 积累下来的经验 让你知道哪些地方容易出错, 哪里可 以找到问题.
WDM coupler
图 9 ASE 光源
isolator
从图 10 可以看到, 基于自发放大辐射 的掺铒光纤的光谱比 EELED 的还窄. 然而, 产生的光谱功率范围大概在 -10dBm 的波段大概只有 40nm. 过滤 器可以它的输出稍微变得平坦. 一些 加入了其他一些物质的新产品可以扩
大输出光谱范围.
λ-selectiv e
Example:
图 4 波长相关损耗测试
参考以下对光源和监测器讨论, 可以 对这些平衡点有所了解.
偏振相关损耗 一些器件对光的反射是随着偏振状态 而变化的. 铌酸锂调节器就是一个例 子. 熔接连接器和分光器的折射率都 和偏振相关. 其他一些器件被设计用 来导通或者阻塞光线, 也是利用偏振 效应.
Insertion Loss (dB) = 10 log P in Pout
因为是相对测试, 所以仪表的精度不 会直接影响到测试结果. 仪表的稳定 性, 线性, 和连接的重复精度决定了
测试结果的准确性. 仪表的长期稳定 性决定了是否经常需要进行标准测量.
裸纤测量 从裸纤尾端进行可重复的精确的测 量需要细心. 使用一个调整好的切 割机制作一个标准的90度的端面. 把光纤夹具安装到检波器上, 旋转 它并得到读数的变化. 当我们将光 纤从夹具移开放回到原处的时候, 也检查这些读数的变化. 这些”重复 性”误差(root-sum)也要添加到计量 器的精度或稳定性中. 如果使用积 分球, 效果经常会更好.
侧射型 LED 侧射型 LED( EELED )与法比-培特罗 激光器( FP )很类似, 除了它的输出端 表面涂了防反射的涂层, 可以防止共 振和散射. 在可用的范围内的光谱内, EELED 在能够产生很高的功率密度. 如图 8 所示:
-20
Erbium-doped
pump laser
reflector
高效的过程控制测试经常只是对一些
测试点进行测试, 而不是进行一个全 面的光谱扫描. 为了确信你的生产流 程稳定, 你可以对成品抽样进行全面 的光谱扫描.
测试参数
被测设备(DUT)的用途决定了需 要测试的参数. 以下这一节主要讨论 了对无源器件进行测试时相关的一些 常用的参数.
插入损耗 基本的无源器件测试: 如果你的
被测器件是用来传输光信号, 它工作 是否正常呢? 图 1 演示了一种测试方 法,
light source
light source
lead-in fiber
DUT
power meter
(Pin)
power meter
(Pout)
图 1: 插入损耗测试
包括两个步骤: 第一步是通过一 根导入光纤对光源进行光功率测量. 这样我们就可以得到被测器件的输入 光功率. 使用同一导入光纤和光源, 第二步获得被测器件的输出光功率. 插入损耗可以用以下表达式算出:
要累加各部分的误差. 然而, 误差属 于一个统计学的范畴, 如果只是简 单将他们加到一起, 会得到一个比 实际值大很多的误差值. 如果各个 误差是随机发生, 而且互不影响, 你 可以使用求均方根的办法, 总误差 就是各个误差的平方值的总和的平 方根. 比如: 2 + 3 的总和是 5, 均方 根的值是 3.6, 计算方法如下:
偏振率 许多分光器和连接器是通过将光纤 熔接在一起来实现的. 这种类型的 器件, 分光和连接时将出现偏振现 象. 所以上述简单的分光率测试并
为了测试偏振相关损耗(PDL), 你需要 调节偏振和不改变其他测试参数. 图 5 演示一种测试方法:
light sourc
power meter
isolator polarizatio DUT (polarization
图 5 偏振相关损耗测试
在这个测试中, 你可以测量出当你改 变偏振状态时, 被测设备输出多少光. 因为激光二极管光源是高度偏振, 偏 振控制器可以使光纤处于各种偏振状 态. 你可以测量出被测器件的最大和 最小光功率. 这个必须要注意一下几 点: 1. 偏振控制器必须能在合理的时间
内能够产生几乎所有的偏振状态, 这个时间应该是可以计算出来的. 2. 在偏振变化的时候, 被测器件的
可以发现 PDL 也是一个相对测量值, 是通过比值计算得到.
光源
在这章, 我们将讨论和对比在无源设 备测试中常用的各种光源. 根据测试 方法不同, 你可以选择宽带或者窄带 源, 也可能有其他的选择.
宽带光源
图 6 是一个理想的宽带光源的光功率 的光谱. 为什么功率大会更好? 为什 么平滑很重要? 当你利用一个宽带光 源对 DUT 进行波长相关特性测试的时 候, 你会将光谱划分为检测器所支持 的最小的片段. 这里有两个重点需要 关注:
Insertion Loss
λ
图 3 窄带滤波器
对其他的元器件来说, 频谱相关损耗 (WDL)的效果是不受欢迎的, 应该被 减少到最低. 一种测试 WDL 的方法是 将测量出在一段很小的波长范围内, 插入损耗成倍增长. 根据你的测试方 法不同, 动态(功率)分布, 测试速度和 测试难度之间有个平衡点. 上面提到 不管是光源还是测量设备, 都必须是 窄带可调.
power meter
在这个测试中, 你先要测量被测设备 每个端口的输出光功率, 然后计算出 这个比值. 如果你使用两个功率计或 者简单重新连接功率器就可以不需要 使用光开关. 一些两个通道的功率计 可以直接计算出这个比值. 如果分光 器有多个通道的时候, 光开关就显得 很重要.
类似插入损耗测试, 分光比测试也是 一个相对测试. 线性, 稳定性, 和连接 的重复精度都决定了测试的可靠性.
输入光功率应该是不变的. 有两 点会影响DUT的输入光功率: √偏振控制器的PDL. 查阅说明书. 设计会更好. √光源稳定性. 当改变偏振的时候, 光纤会从偏振控制器反射到光源, 使光源受到影响. 隔离器可以防止 影响.
3. 功率计必须对偏振不敏感. 通常 情况下, 直接将光连接到检测器 的表面是比较困难的. 必须用积 分球来解决这个问题. 通过最小 和最大功率, 可以计算得到PDL: PDLdB = 10 log P max P min
钨丝灯泡 钨丝灯泡光源十分有用. 它的波长正 好完全的在红外波长范围外, 可以完 全被通讯光纤利用. 它可以象图 7 所 示那样用光纤连接起来.
optical fiber
图 7 钨丝灯泡和单模光纤相连
主要的问题就是, 不能得到测试所需 要的足够的光源. 你也不能使用大功 率的灯泡来解决这个问题, 因为大功 率需要使用更大的钨丝. 除了小部分 光, 其他的光因为入角度太大而不能 进入光纤. 光谱功率密度, 对于只有 9um 的 单 模 光 纤 的 光 芯 来 说 , 少 于 -60dBm. 但是钨丝灯泡便宜, 它有一 个很广的光谱, 不会产生偏振, 也不 受反射光的影响.
均方根误差 为了计算测试系统的总误差, 你需
0
-40
-30
Power (dBm) Power (dBm)
-60
1300
Hale Waihona Puke Baidu
1400
1500
1600
1700
λ (nm)
图 8 光谱图 1550 nm EELED
从图 8 可以看出, 1550nm 的 EELED 能
够产生的光谱功率密度范围大概是
-30dBm, 这个波段是许多通讯上光器
件所使用的波段. 现在就有足够的能
18 # 无源器件基本测试方法
无源光器件基本测试方法
John Flower
介绍
由于对网络带宽要求不断提高, 用于 这种全光网络的器件的市场也不断扩 大. 本文章描述了无源器件测试的基 本原理, 对比几种不同的测试方法. 特别对测量宽带源和窄带源各种方法 的利弊进行讨论.
目前人们在这个领域已经开展了很多 的研究, 在你建立测试系统的时候可 以有很多的选择. 我们将对这些选择 进行更深一步的讨论, 希望能够对你 的测试系统的设计有所帮助. 在文章 的最后有参考资料的列表.
频谱相关损耗 大部分元器件对不同的波长的响应是 不一样的. 滤波器就是用来做这个的. 图 3 用来说明了一个窄带滤波器的典 型特点:
不足够, 看以下的关于PDL(偏振相 关损耗)的讨论.
tunable laser
Example: ECL
DUT
power meter
broadband light
DUT
broad wavelength range
more power is better
very smooth
Power
λ
图 6 理想宽带源
1. 将光谱分成小片断后, 要足够的 光功率.
2. 当调节检测器, 光功率发生变化 是DUT特性导致的, 不是光源导 致.
必须知道两个概念: 1. 光谱的功率密度
每纳米波长的功率 2. 光谱稳定度
22 + 32 = 4 + 9 = 13 = 3.6
隔离 如果你的被测器件要用来隔断光通道, 它是否工作正常? 隔离是一个简单的 损耗插入测试, 特别之处是,它最好的 结果就是信号大量损耗, 所以你将测 量到很微弱的信号. 以下列举的是在 隔离测试可能会用到的设备: z 隔离器, 反向 z 环形器, 反向通道 z 铌酸锂光调变器, 阻塞状态 z 光开关, 导向另外一个端口 z 衰减器, 设置到最大 z 滤波器, 传输波长外过滤 z 波导设备, 临近通道(色度亮度干
量来进行测试了. EELED 是一个不错
的选择. 然而, 它的输出可能达到
60%的偏振, 限制了它的使用.
ASE 光源 掺铒光纤在承载 980 nm 和 1480nm 波 段的光源的时候会产生十分有用的效 应. 这个特性被用来制作了掺铒光纤 放大器. 如果没有光源输入的时候, 自发光源在光纤中放大将会产生 1500nm 到 1600nm 波段的光. 图 9 说 明这是怎样实现的, 图 10 显示的是一 个典型的输出光谱.
扰测试)
分光比 分光器, 或者分接器, 都不进行波长 选择, 将光分成两分或者多份输出(每 个输出都有全部通道). 分光比可从 50/50 到 99/1. 如果分光器的分光比很 高, 我们一般称做分接器. 分光比是 一个很简单的度量单位, 图 2 演示了 一种测试方法:
light source
DUT switch (splitter) 图2 分光比
功率的稳定性是波长的一个功能 (应该有一个平滑的曲线)
不幸的是, 我们买不到这种理想的光 源. 我们以钨丝灯泡, 侧射型 LED( EELED )和自发射光源( ASE )为 例, 研究一下真正光源的平衡点.
一个理想的宽带光源应该有以下特性: z 在各种波长的情况下都有恒定的
光功率, 光谱特性即使不是水平 的, 也会比较平滑的.(这意味用 OSA扫描应该是平滑曲线) z 不受从测试系统或者 DUT 反射光 的影响 z 随机偏振 z 低成本
裸纤夹具最好不要接触端面. 如果 夹具可以让光纤在金属套圈里滑动, 就可以更方便的进行测量. 然而, 在 断裂的边缘处经常有微损伤(“散 裂”). 如果要进行光纤熔接, 这个损 伤将会降低光纤熔接后的品质.
如果重复性误差导致测量有太多的不 可靠因素, 使用光开关来进行的自动 测试的测试结果能否在容限内, 将会 是个大问题. 最简单的方式经常是最 精确的. 某些情况下, 你需要使用熔 接或者连接器来连接裸纤的两端.
本片文章主要是讨论”无源”器件, 所谓”无源”器件, 就是在对输入的 信号进行控制和处理的时候不需要外 部输入任何能源的元器件. 例如, 衰 减器, 熔融式耦合器, 光波分多路复 用器, 环形器, 光滤波器, 分光器, 分 接器, 隔离器, 波分滤波器, 布拉格光 栅, 波导设备等.
过程控制的测试
随着生产过程的日益成熟, 对生产中 各种过程变量的控制有了更好的掌握, 可以对生产测试进行改进. 例如, 在 产品生产的初期阶段, 应该对每个产 品进行全面细致的光谱扫描. 随着生 产流程的稳定, 你会发现只要生产流 程受控, 所有的扫描的结果几乎都是 一样. 更重要的是, 积累下来的经验 让你知道哪些地方容易出错, 哪里可 以找到问题.
WDM coupler
图 9 ASE 光源
isolator
从图 10 可以看到, 基于自发放大辐射 的掺铒光纤的光谱比 EELED 的还窄. 然而, 产生的光谱功率范围大概在 -10dBm 的波段大概只有 40nm. 过滤 器可以它的输出稍微变得平坦. 一些 加入了其他一些物质的新产品可以扩
大输出光谱范围.
λ-selectiv e
Example:
图 4 波长相关损耗测试
参考以下对光源和监测器讨论, 可以 对这些平衡点有所了解.
偏振相关损耗 一些器件对光的反射是随着偏振状态 而变化的. 铌酸锂调节器就是一个例 子. 熔接连接器和分光器的折射率都 和偏振相关. 其他一些器件被设计用 来导通或者阻塞光线, 也是利用偏振 效应.
Insertion Loss (dB) = 10 log P in Pout
因为是相对测试, 所以仪表的精度不 会直接影响到测试结果. 仪表的稳定 性, 线性, 和连接的重复精度决定了
测试结果的准确性. 仪表的长期稳定 性决定了是否经常需要进行标准测量.
裸纤测量 从裸纤尾端进行可重复的精确的测 量需要细心. 使用一个调整好的切 割机制作一个标准的90度的端面. 把光纤夹具安装到检波器上, 旋转 它并得到读数的变化. 当我们将光 纤从夹具移开放回到原处的时候, 也检查这些读数的变化. 这些”重复 性”误差(root-sum)也要添加到计量 器的精度或稳定性中. 如果使用积 分球, 效果经常会更好.
侧射型 LED 侧射型 LED( EELED )与法比-培特罗 激光器( FP )很类似, 除了它的输出端 表面涂了防反射的涂层, 可以防止共 振和散射. 在可用的范围内的光谱内, EELED 在能够产生很高的功率密度. 如图 8 所示:
-20
Erbium-doped
pump laser
reflector
高效的过程控制测试经常只是对一些
测试点进行测试, 而不是进行一个全 面的光谱扫描. 为了确信你的生产流 程稳定, 你可以对成品抽样进行全面 的光谱扫描.
测试参数
被测设备(DUT)的用途决定了需 要测试的参数. 以下这一节主要讨论 了对无源器件进行测试时相关的一些 常用的参数.
插入损耗 基本的无源器件测试: 如果你的
被测器件是用来传输光信号, 它工作 是否正常呢? 图 1 演示了一种测试方 法,
light source
light source
lead-in fiber
DUT
power meter
(Pin)
power meter
(Pout)
图 1: 插入损耗测试
包括两个步骤: 第一步是通过一 根导入光纤对光源进行光功率测量. 这样我们就可以得到被测器件的输入 光功率. 使用同一导入光纤和光源, 第二步获得被测器件的输出光功率. 插入损耗可以用以下表达式算出:
要累加各部分的误差. 然而, 误差属 于一个统计学的范畴, 如果只是简 单将他们加到一起, 会得到一个比 实际值大很多的误差值. 如果各个 误差是随机发生, 而且互不影响, 你 可以使用求均方根的办法, 总误差 就是各个误差的平方值的总和的平 方根. 比如: 2 + 3 的总和是 5, 均方 根的值是 3.6, 计算方法如下:
偏振率 许多分光器和连接器是通过将光纤 熔接在一起来实现的. 这种类型的 器件, 分光和连接时将出现偏振现 象. 所以上述简单的分光率测试并
为了测试偏振相关损耗(PDL), 你需要 调节偏振和不改变其他测试参数. 图 5 演示一种测试方法:
light sourc
power meter
isolator polarizatio DUT (polarization
图 5 偏振相关损耗测试
在这个测试中, 你可以测量出当你改 变偏振状态时, 被测设备输出多少光. 因为激光二极管光源是高度偏振, 偏 振控制器可以使光纤处于各种偏振状 态. 你可以测量出被测器件的最大和 最小光功率. 这个必须要注意一下几 点: 1. 偏振控制器必须能在合理的时间
内能够产生几乎所有的偏振状态, 这个时间应该是可以计算出来的. 2. 在偏振变化的时候, 被测器件的
可以发现 PDL 也是一个相对测量值, 是通过比值计算得到.
光源
在这章, 我们将讨论和对比在无源设 备测试中常用的各种光源. 根据测试 方法不同, 你可以选择宽带或者窄带 源, 也可能有其他的选择.
宽带光源
图 6 是一个理想的宽带光源的光功率 的光谱. 为什么功率大会更好? 为什 么平滑很重要? 当你利用一个宽带光 源对 DUT 进行波长相关特性测试的时 候, 你会将光谱划分为检测器所支持 的最小的片段. 这里有两个重点需要 关注:
Insertion Loss
λ
图 3 窄带滤波器
对其他的元器件来说, 频谱相关损耗 (WDL)的效果是不受欢迎的, 应该被 减少到最低. 一种测试 WDL 的方法是 将测量出在一段很小的波长范围内, 插入损耗成倍增长. 根据你的测试方 法不同, 动态(功率)分布, 测试速度和 测试难度之间有个平衡点. 上面提到 不管是光源还是测量设备, 都必须是 窄带可调.
power meter
在这个测试中, 你先要测量被测设备 每个端口的输出光功率, 然后计算出 这个比值. 如果你使用两个功率计或 者简单重新连接功率器就可以不需要 使用光开关. 一些两个通道的功率计 可以直接计算出这个比值. 如果分光 器有多个通道的时候, 光开关就显得 很重要.
类似插入损耗测试, 分光比测试也是 一个相对测试. 线性, 稳定性, 和连接 的重复精度都决定了测试的可靠性.
输入光功率应该是不变的. 有两 点会影响DUT的输入光功率: √偏振控制器的PDL. 查阅说明书. 设计会更好. √光源稳定性. 当改变偏振的时候, 光纤会从偏振控制器反射到光源, 使光源受到影响. 隔离器可以防止 影响.
3. 功率计必须对偏振不敏感. 通常 情况下, 直接将光连接到检测器 的表面是比较困难的. 必须用积 分球来解决这个问题. 通过最小 和最大功率, 可以计算得到PDL: PDLdB = 10 log P max P min
钨丝灯泡 钨丝灯泡光源十分有用. 它的波长正 好完全的在红外波长范围外, 可以完 全被通讯光纤利用. 它可以象图 7 所 示那样用光纤连接起来.
optical fiber
图 7 钨丝灯泡和单模光纤相连
主要的问题就是, 不能得到测试所需 要的足够的光源. 你也不能使用大功 率的灯泡来解决这个问题, 因为大功 率需要使用更大的钨丝. 除了小部分 光, 其他的光因为入角度太大而不能 进入光纤. 光谱功率密度, 对于只有 9um 的 单 模 光 纤 的 光 芯 来 说 , 少 于 -60dBm. 但是钨丝灯泡便宜, 它有一 个很广的光谱, 不会产生偏振, 也不 受反射光的影响.