話硅光03篇：偏振系列儀表

作者:?馬德坤

自由空間中光波（橫波）的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)方向在與傳播方向垂直的橫截面內(nèi)有各種可能取向，這就是光的偏振特性。偏振在相干光通信、工業(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地球遙感、現(xiàn)代軍事、航空以及海洋等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，在光通信領(lǐng)域中，偏振操控主要采用分立光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)嚴(yán)重制約了性能的提升和成本的降低，預(yù)計(jì)光學(xué)偏振操控器件的發(fā)展趨勢(shì)將朝著集成化和芯片化趨勢(shì)發(fā)展。

值得一提的是分析光組件偏振相關(guān)特性是當(dāng)今光學(xué)R&D實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)不可或缺的測(cè)試和測(cè)量環(huán)節(jié)，Keysight N778XC系列偏振測(cè)試產(chǎn)品可對(duì)光學(xué)元件及子系統(tǒng)進(jìn)行高速、高性能的表征和驗(yàn)證。是德科技偏振測(cè)試儀表品類(lèi)眾多，下面將逐一介紹。

N7781C偏振分析儀

Keysight N7781C 是一款緊湊型高速偏振分析儀，具有分析光信號(hào)偏振特性的功能。包括在邦加球（斯托克斯參數(shù)）上表示偏振狀態(tài) (SOP)。儀表內(nèi)部的算法和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可確保在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行高精度操作。

由于該儀器具有1 M samples/s的實(shí)時(shí)測(cè)量能力以及250kHz的模擬帶寬，因此非常適合分析受干擾和波動(dòng)的信號(hào)，以及需要實(shí)時(shí)反饋偏振狀態(tài)的控制應(yīng)用，如在自動(dòng)生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)字控制環(huán)路。

該設(shè)備主要用于檢測(cè)和測(cè)量：

?偏振分析SOP/DOP

?斯托克斯參數(shù)

?保偏光纖消光比

?偏振擾頻儀性能分析

?入侵監(jiān)測(cè)

N7785C偏振控制器

Keysight N7785C 是一款高速同步擾偏器，通過(guò)輸入和輸出觸發(fā)功能可重復(fù)切換一系列偏振狀態(tài) (SOP)。該設(shè)備可以工作在以下模式中：

?作為同步擾偏器，該設(shè)備以隨機(jī)的方式但是重復(fù)的模式切換輸出信號(hào)的SOP。SOP切換在幾微秒內(nèi)完成，SOP在預(yù)定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，直到再次切換到新的SOP。外部觸發(fā)輸入可將擾偏器和外部事件同步。

?切換SOP狀態(tài)，N7785C能夠以極高的速度和重復(fù)性將內(nèi)部波片切換到用戶(hù)定義的角度。

?作為傳統(tǒng)擾偏器，N7785C以隨機(jī)方式平滑地改變輸出SOP。

?作為偏振穩(wěn)定器，N7785C通過(guò)SCPI編程反饋命令將輸出的SOP穩(wěn)定在外部參考上。

N7786C偏振合成器

Keysight N7786C 包含一個(gè)基于鈮酸鋰的高速偏振控制器和一個(gè)偏振分析儀，其中偏振分析儀可以監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的偏振狀態(tài)并向控制器實(shí)時(shí)提供反饋。該設(shè)備可在多種模式下工作：

?作為偏振穩(wěn)定器，提供穩(wěn)定的偏振輸出狀態(tài)即使輸入信號(hào)的SOP發(fā)生波動(dòng)和偏移。然后穩(wěn)定輸出的偏振狀態(tài)的信號(hào)在SMF中傳輸。其中輸出的SOP可以通過(guò)下面的方式定義：

○ 在GUI界面中激活“set-and-forget”功能，當(dāng)前的SOP被存儲(chǔ)和維持，即使儀器輸入端信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生變化。

○ 定義Stocks參數(shù)：用戶(hù)可使用Stocks參數(shù)定義目標(biāo)輸出SOP，然后使用偏振分析儀反饋設(shè)置這些參數(shù)。

○ 定義SOP sequence：設(shè)備按照選定的pattern切換輸出信號(hào)的SOP，循環(huán)速度高達(dá) 100 kSOPs/s。

?SOP狀態(tài)切換，N7786C以設(shè)定速率循環(huán)通過(guò)SOP序列，最高可達(dá)40 kHz以上。SOP序列內(nèi)部設(shè)置首先使用穩(wěn)定器的功能確定，SOP切換在幾微秒內(nèi)完成。外部觸發(fā)輸入可用于使擾偏器與外部事件同步。

?作為傳統(tǒng)擾偏器，N7786C以隨機(jī)改變輸出SOP，可在幾毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)邦加球的全覆蓋。

?作為偏振分析儀，該設(shè)備提供真正的高速功能：采樣率高達(dá)1M samples/s，以及高達(dá)250 kHz模擬帶寬。

?結(jié)合光子應(yīng)用軟件套件?(PAS)，作為快速切換偏振控制器，用于單次波長(zhǎng)掃描中IL/PDL等參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。

N7788C光學(xué)器件分析儀

Keysight N7788C光學(xué)器件分析儀內(nèi)部集成偏振控制和分析功能于一體，可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中靈活使用。

N7788C特別適合與可調(diào)諧激光源TLS結(jié)合使用，用于測(cè)量光學(xué)元器件如何改變信號(hào)的SOP。這種測(cè)量方法采用獨(dú)特的單次波長(zhǎng)掃描偏振相關(guān)方法，在標(biāo)準(zhǔn)瓊斯矩陣特征分析法（JME）的基礎(chǔ)上，計(jì)算偏振模色散(PMD)或差分群延遲(DGD)和偏振相關(guān)損耗(PDL)等參數(shù)。

該設(shè)備主要用于表征以下器件參數(shù)：

?光纖表征：SMF、PMF、DCF

?無(wú)源器件測(cè)量：濾波器、隔離器、環(huán)回器

?動(dòng)態(tài)器件/模組測(cè)試：WSS

?有源器件測(cè)試：EDFAs、SOAs、VOAs

?鏈路測(cè)試：跨放大器的通道內(nèi)測(cè)量

? 是德科技偏振系列儀表相關(guān)解決方案

無(wú)源硅光芯片/器件波長(zhǎng)掃描測(cè)試方案

光無(wú)源器件的發(fā)展相對(duì)較為成熟, 產(chǎn)品種類(lèi)多(例如光分路器、波分復(fù)用/解復(fù)用器、光濾波器等)， 應(yīng)用十分廣泛，對(duì)其測(cè)試參數(shù)早已有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行定義，并且也出現(xiàn)了完整的參數(shù)測(cè)試解決方案。目前廣泛遇到的難點(diǎn)在于如何高效進(jìn)行光芯片層面的測(cè)試。光芯片測(cè)試時(shí)，其耦合效率低、耦合損耗大、測(cè)試方案自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題成為了大家普遍的訴求。針對(duì)技術(shù)相對(duì)成熟的無(wú)源光芯片測(cè)試，主要測(cè)試需求以插入損耗 IL/偏振相關(guān)損耗PDL和回波損耗RL測(cè)量為主。我們推薦的測(cè)試方案由高性能高分辨率可調(diào)光源（N7776C）、8通道光功率計(jì)(N7745C)、回波損耗模塊（N7753C）以及偏振控制器（N7786C）組成，配合自動(dòng)光探針耦合對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，以及相關(guān)測(cè)試軟件 N770010xC，就能夠支持各種多端口無(wú)源光芯片(CWDM/DWDM光復(fù)用器/解復(fù)用器/PLC光分路器/陣列波導(dǎo)AWG芯片等）的On-wafer級(jí)別測(cè)試。

該方案采用單次波長(zhǎng)掃描的六態(tài)穆勒矩陣方案來(lái)測(cè)試偏振相關(guān)損耗PDL隨波長(zhǎng)變化的情況，其中N7786C偏振合成器集成偏振控制器和偏振分析儀的功能于一身，它可以快速準(zhǔn)確設(shè)置特定偏振狀態(tài)，能夠在幾百微妙內(nèi)快速完成6個(gè)偏振態(tài)的切換，這樣可以快速完成偏振相關(guān)參數(shù)的測(cè)試，同時(shí)能夠避免外部環(huán)境變化（如溫度、光纖移動(dòng)）等因素變化引起的偏振態(tài)發(fā)生變化，從而提高測(cè)試結(jié)果的精度和重復(fù)性。

圖1?光無(wú)源測(cè)試方案

而對(duì)于光電器件的直流響應(yīng)波長(zhǎng)測(cè)則可以采取類(lèi)似的測(cè)試方案，唯一的區(qū)別是這類(lèi)器件輸出的是電信號(hào)，因此需要使用SMU源表進(jìn)行輸出此號(hào)測(cè)試。其中SMU源表可以采用B2900系列的臺(tái)式設(shè)備，以及PXIe多通道源表M9601A/M9614A/M9615A系列，以適配各種場(chǎng)景的測(cè)試需求。采用該方案可以對(duì)被測(cè)件的IL/PDL/PER/響應(yīng)度/CMRR等參數(shù)進(jìn)行表征，其測(cè)試框圖如下所示：

圖2 光電器件直流特性測(cè)試方案

在有些應(yīng)用中，如果器件的DGD/PMD太大可能對(duì)傳輸信號(hào)的質(zhì)量影響比較大（如波形畸變，眼圖閉合）。因此有些測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景除了對(duì)器件的IL/PDL等參數(shù)測(cè)試外，還需要測(cè)試器件的差分群延時(shí)DGD和偏振模損耗PMD參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。這時(shí)需要采用可調(diào)諧激光源(N7776C)、偏振器件分析儀(N7788C)，以及配合PAS光應(yīng)用套件軟件N7700103C進(jìn)行波長(zhǎng)掃描的DGD/PMD參數(shù)測(cè)試，另外方案還可以測(cè)試被測(cè)件的IL/PDL參數(shù)，其測(cè)試方案如下所示：

圖3 光器件DGD/PMD測(cè)試方案

集成相干接收機(jī)ICR交流特性測(cè)試（拍頻法）

在ICR交流特性拍頻法中采用外部?jī)赏ǖ罀呙枋娇烧{(diào)諧激光源，產(chǎn)生兩路激光源之間的波長(zhǎng)差異，在ICR中可產(chǎn)生相應(yīng)的拍頻信號(hào)，該拍頻信號(hào)表現(xiàn)為不同頻率成分的正弦波信號(hào)。其測(cè)試框圖如下：

圖4 ICR交流特性測(cè)試方案

該方案中利用 N7786C 偏振合成器可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)進(jìn)入ICR后的偏振對(duì)準(zhǔn)的補(bǔ)償，以確保X和Y偏振面上的幅度一致性的校準(zhǔn)。信號(hào)光和LO光產(chǎn)生的拍頻信號(hào)通過(guò)ICR內(nèi)部的不同通道平衡接收的TIA輸出后，再通過(guò)M8296A高帶寬的 ADC 電路，測(cè)試不同拍頻正弦波的幅度和相位差，就可以測(cè)試出各個(gè)電通道的幅頻特性（帶寬）和相頻特性，同時(shí)也可以測(cè)試ICR各個(gè)平衡接收通道的EVM等參數(shù)。

以上就是是德科技偏振系列產(chǎn)品及其應(yīng)用簡(jiǎn)介。是德科技N778XB偏振測(cè)量?jī)x表于2022年12月停產(chǎn)，新一代N778XC偏振系列產(chǎn)品將更好的支持偏振參數(shù)測(cè)試。N778XB系列的售后產(chǎn)品支持將于2027年12月終止，敬請(qǐng)知悉！