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粗波分复用光学器件的测试

编辑：Gunnar Stolze, Stefan Loffler和Tadao Kobayashi 安捷伦科技德国企业光通信测量分部

    测试战略
粗波分复用（CWDM）器件一般采用成熟的薄膜滤波器技术。薄膜滤波器由晶片制成，上面淀积多个交替层，这些层由折射系数不同的两种或多种材料制成。各层的确切厚度对器件的性能至关重要。在淀积过程中，通过检测由于频谱测量干扰导致的传输功率变化，可以检验器件的厚度。在淀积过程之后，一般会检查晶片，确定晶片的厚度是否符合预定的损耗模式。这个模式规定了滤波器通带中的损耗和损耗变化、带宽和串扰特征。事实证明，这种提前检查晶片的方法在生产过程早期可以节约成本，因为它避免了剪断和打磨光学特征不符合晶片规范的滤波器立方体。
在划线和打磨之后，将全面测试薄膜滤波器的光学特征。为此，薄膜滤波器立方体放在开放光束环境中，采用折射率渐变透镜构成平行光束。在零度角上测试滤波器，这意味着光束垂直入射到滤波器上。通过这种方式，可以同时确定光传输特征和反射特征。这一点特别重要，因为除交替薄膜层外，薄膜滤波器在立方体的背面有一个抗反射的涂层，避免从玻璃与空气接触面发生多次反射。反射效应会导致传输中出现看得到的波动。滤波器对准时一般会采用自动定位设备和光反馈技术，在对准过程中实时测量传输特征。使用检索到的数据控制滤波器相对入射光束的调节。
在把良好的滤波器封装在光学模块中时采用相同的方法。这里，一般会调节滤波器，构成光束为几度的一个入射角，进一步降低干扰的影响。但是，这种操作主要把反射的滤波器频谱指向另一个折射率渐变透镜或其它薄膜滤波器。通过这种方式，可以建立光分插模块和复用器。每个滤波器仅传输选择部分的入射频谱，而其余频谱会被反射。把滤波器立方体正确对准入射光束，决定着每条通道的中心波长及复用器中通道之间的串扰。
一旦对准和封装完成，生产流程中的最后一步是成品测试。这里，将测试整个模块的光学性能。将进行标准测试，如损耗测试，以获得串扰、通带损耗变化、隔离度、中心波长等参数。通过增加偏振相关损耗测量，可以指定所有参数，包括偏振效应。生产流程和相关测试通用方案如图1所示。
在制造流程中是否要进行测试是辩证的，取决于元器件制造商的产出和成本要求。从本质上看，每道工序的测试可以视作管理和控制质量的一种工具，不管它是薄膜淀积、对准还是封装。如果流程稳定、流程参数变动非常小，可能并不需要在制造流程中测试。但是，这种质检主要适合于大批量生产，而当前的经济气候并不利于大批量生产。今天，元器件制造商面临着高度定制和小批量、而产品组合多的问题，这两者都要求改变和变动流程。解决方案是在制造和测试之间进行均衡投资，伴以适当的质量管理战略。
使用DWDM技术的许多TFF器件制造商已经扩展了产品系列，以包括 CWDM器件，如复用器/解复用器或滤波器。这给测试战略带来了另一个挑战。DWDM器件测试最关键的是波长测量精度。DWDM滤波器的中心波长必须在几皮米范围内。因此，测量精度必须更高。这不仅适用于完成的模块检验，而且适用于作为反馈、把薄膜滤波器调节到规定中心波长的实时测量。对 CWDM器件，通带要宽得多，波长性能并不是最关键的参数，但它要求很高的损耗测量精度，因为CWDM滤波器的通带损耗是一个竞争指标参数。DWDM器件测试解决方案已经提供了0.002dB或更低的损耗测量精度，这对CWDM器件测试非常有利。此外，正如前面已经提到的那样，CWDM器件的成本要求要比 DWDM器件严格得多。因此，必须根据CWDM价格方案调整测试成本。从本质上看，DWDM器件测试和CWDM器件测试之间的差别在于波长和功率的精度要求、成本要求和覆盖的波长范围。这可能会导致这样的结论，即DWDM器件测试和CWDM器件测试要求不同的测试设备。但事实上，光纤测试基于非常通用的原则，即所谓的“激励－响应”测试，滤波器是用于CWDM还是DWDM则无关紧要。另外，DWDM器件测试解决方案已经提供了0.002dB或更低的损耗测量精度。这为利用DWDM测试解决方案测试CWDM器件提供了潜力。下面将讨论测量原理及其在实际测试应用中的实现，其中大家还将讨论同时测试CWDM和DWDM器件的可能解决方案。
测试原理和解决方案
最新的波长分辩激励响应测量方法采用可调光源和宽带功率计，其中可调光源可以在整个波长范围内连续进行调谐。这种方法克服了光谱分析仪的波长分辨率限制。可调激光器具有很高的波长分辨率和精度，首选用于滤波测量使用的光谱分析仪中。此外，在同时测量多条通道时，可调激光器－功率计方法提供了极高的扩充能力和灵活性，可以以最低的新增成本，根据要求的设备端口数量调节测试系统，如图2 所示。
这种方法采用模块化设计，还为未来升级提供了一条道路，在需要时可以增加更多的测试功能，如色散测量。如果CWDM技术的传输速度从2.5 Gb/s增加到10 Gb/s，将要求进行色散测量。
一般来说，以扫描方式进行测量，这意味着将在一定的波长范围内连续调谐波长。同时记录波长和功率信息。对 PDL测量，要增加一个偏振控制器，控制入射到被测器件上的光信号的偏振。一般来说，使用米勒方法进行PDL测量，这要求输出四种特定的偏振状态。通过这种方式，可以在整个波长范围内记录偏振相关性，如果检查偏振对串扰或通带的影响，则要求在整个波长范围内记录偏振相关性。
典型的测量装置如图2所示。该装置非常通用，这意味着可以在成品测试或任何工序间测试中使用这种装置，如滤波器对准和调节或滤波器特征预检。唯一的差别在于，对成品测试，完成的模块规范取决于测试系统的性能。对工序间测试，通常会把性能要求降低到某种程度，以加快测量速度，特别是在把测试解决方案用于对准流程的光学反馈环路时。在这里，关键参数是更新速率和数据检索速度。
但是，对使用可调激光器和功率计方法的当前测试解决方案，其中一个局限性一直是波长范围有限，特别是对CWDM滤波器测试。直到最近，通过结合使用两个或多个可调光源，全面覆盖所需的波长范围，才解决了这种局限性，如图3所示。
很明显，这种解决方案的成本相对较高，考虑到大多数元器件制造商目前的经济环境，则更是如此。折衷方案通常是使用波长精度有限的低性能可调激光器，这些激光器的成本相对较低。对CWDM滤波器测试，这似乎是一种有效的方法，因为波长精度不是一个关键的性能参数。但是，低性能通常意味着功率稳定性有限，表现为功率随着波长变化而变化。如果随机发生这种功率变化，将不能进行校准，致使只有增加功率监测仪才能满足严格的损耗精度要求，而这再次会增加测试解决方案的成本。最后，这种方法没有带来要求的效率和性能，是相当差的折衷方案。此外，不能解决上面讨论的在相同的测试解决方案中测试CWDM和DWDM器件的问题，因为这些低成本可调激光器通常不能提供DWDM应用中窄带滤波器所需的高波长精度。
新型可调光源现在可以解决这个问题，这些光源在波长精度和功率稳定性方面提供了很高的性能，同时把波长覆盖范围扩展了200nm，从1450nm扩展到1640nm。这种可调光源马上解决了上面描述的大多数问题。它为损耗测量提供了要求的功率稳定性，可以实现很高的精度。此外，它不需组合多个可调光源，就可以测量八通道CWDM复用器的整个波长范围，从而可以马上节约成本。八通道CWDM复用器的损耗测量实例如图4所示。对CWDM器件，宽波长范围和高功率稳定性最为重要。对DWDM滤波器，高波长精度和动态范围是关键。这样的解决方案的成本可以在多种不同滤波器之间分摊，从而使每种滤波器分担的成本达到最小，在不降低精度的情况下满足了CWDM器件的成本要求。
与其它解决方案相比，如组合使用不同的光源、使用低性能光源或投资于不同的解决方案满足不同的滤波应用需求（如CWDM或DWDM），使用高性能可调光源具有非常高的投资回报率。 LWC



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