高速及超高速光电器件带宽的测量与解决方案介绍

光电器件是光通信系统的核心部分，同时在整个光传输系统里也占据非常重要的地位，高速及超高速光电器件相关技术也是光通信领域中最具有前瞻性和先导性的领域。作为光通信产业的核心一环，基础芯片和器件的发展，关系到中国光通信产业的整体竞争力，也已成为目前中国光通信长足发展的关键瓶颈。随着光电器件及芯片自研增加，针对光电器件测试将变得日益重要。

目前数据传输速率成倍增长，光波传输系统变得越来越先进，器件设计人员和制造商必须最大限度地提高其产品的性能才能够满足日益增长的需求。

数字光通信系统的性能最终是通过比特误码率(Bit Error Ratio Test (BERT))来检验，但光电元器件(如调制器、PIN-TIA接收机和检波器)的模拟特性，对整个传输系统的性能也起着决定性的作用。只有在调制信号带宽上，准确地设计这些电光器件，才能保证信号在整个系统中高效地传输。

而光电元器件分析仪(Optical Vector Network Analyzer)就是测试不同速率/带宽的电光器件、光纤通道、有线电视传输系统、光载无线电和航空航天与国防等应用中的所有相关光电元器件S参数(例如S21、S11和S22)的首选仪器。

光电元器件分析仪可测量PIN二极管、APD、LiNbO3和电吸收调制器以及调制激光源的电光S21响应度。

根据这一测量结果，可以确定绝对响应度、3dB截止频率以及相对和绝对群时延。

图 1 光电器件的测量分析

目前大多数工程师更熟悉的光模块测试是分别用采样示波器和误码仪来测试眼图和误码率，通过眼图和误码率的参数来衡量光模块中发射机和接收机的特性。

这种测试时所用的信号是NRZ或者PAM4调制的数字信号，码型是PRBS伪随机码。NRZ和PAM4信号在时域上是变化的电平，NRZ是两电平变化的，PAM4是四个电平在变化，如图2所示。

光通信工程师经常用误码率和眼图来衡量光通信器件的性能。但是，误码率或眼图通常是用来衡量系统性能，很难用误码率来衡量组成系统的各个器件的性能。因此，高速光电元器件分析仪应用到光电器件的分析中来，用于表征器件的性能。

图 2.1NRZ(“PAM-2” )

①2个幅度电平
②每个符号有1比特信息
③28 Gbaud NRZ=28Gb/s

图 2.2PAM4

①4 个幅度电平
②每个符号有 2 比特信息
③对于同样的符号速率吞吐量翻倍
较低的信噪比SNR，对噪声更敏感
④TX/RX的设计更复杂，成本更高

图 3 数字信号频谱分布

数字信号的频谱，无论是NRZ还是PAM4调制，或是PRBS的任意编码形式，其频谱都呈sinc函数型（如图3），因此我们很难在频域上解析信号中的信息，因此如果想去解析传输信号中包含的信息，我们通常是在时域上进行解析的。

而测试眼图或者误码率就是在时域上评判系统的优劣，如果眼图和误码率都能满足指标要求，那说明系统的功能是优异的，该系统可以无失真的传输信号，而反之，如果测试发现眼图或是误码率都不能满足指标要求，眼睛睁不开，或者误码率很高，那么我们就要考虑是否是组成系统的器件的性能出现了问题。

器件性能对信号传输最主要的影响就包括器件带宽的影响，因此，当单路速率比较高时，我们通常都会去测器件的频域性能，即频率响应。

如图3所示的时域信号，转换到频域上我们可以看到，是一个sinc函数的包络，该频谱的主要频谱能量都分布在sinc函数的第一过零点以内，第一过零点是由比特率来决定。从频谱分布来看，可知比特率越高，上升时间越小，信号所占用的频谱带宽就越大。

因此，当我们传输速率比较高的时候，就需要保证器件的带宽足够大，这样才能够满足无失真传输大带宽信号的条件。而光波器件分析仪LCA的主要功能就是测试光电器件的频域特性的。

时域测试与频域测试并不是完全独立的，他们是有一定关系的。

时域测试时，在整个测试链路中传输的信号是数字信号，从频域上看所有的所有频率分量虽然幅度各不相同，但它们是同时存在于测试链路中的，如图3所示。

而频域测试，每一时刻，链路中只存在一个单独的频率分量，每一时刻都测量一个单独的频率分量下的器件性能，信号频率随着时间扫描，从测试的起始频率扫描到终止频率，最终获得整个测试带宽的频率响应。

保证器件的带宽是足够传输高速信号的，这一步叫做器件的性能测试。

性能测试通关之后才会进行封装，封装后还要进行时域的测试，这一步通常叫做功能测试。

因此对于一个合格的器件的生产，尤其是高速光通信器件，频域和时域的测试都是必不可少的。如图4，就是一个光模块的生命周期，以及他们这个周期中需要经历的测试，在光模块出厂之前，需要分别经历晶元的生产，电路集成，晶元测试，切割，校准，封装，功能测试等流程，其中晶元测试我们一般会测器件的波长域的性能以及频域的性能（光电元器件分析仪完成），在封装后，要进行功能性测试（时域测试，眼图误码等）。

图4光模块的生命周期

从分类上来说，所有的光电(O/E)，电光(E/O)，光光(O/O)，电电(E/E)器件都是光电元器件分析仪的被测对象。如图5所示，光电二极管，调制器，激光器，或相干通信中的Mach-Zehnder调制器和ICR接收机。光电元器件分析仪都能将其器件性能准确的测量出来。

图5.1典型电光器件

图5.2典型光电器件

测量参数的概念也很简单，它测量了各种光电器件的小信号线性传输和反射特性。传输特性和反射特性的定义如下图6所示。

传输特性就是对比进入被测器件的信号和经过被测器件之后的信号，以此可以得到被测器件对信号的增益或是衰减或是叫做转换效率。
反射特性同理，对比进入被测器件的信号和从被测器件反射回来的信号，以此可以得到被测器件对信号的反射特性。

图 6 传输特性与反射特性定义

OCA系列光电元器件分析仪（Optical Component Analyzer）是基于“微波光子技术”，利用光电测量扩展座，搭配上海普尚电子(Prosund）SP800B/SP800P/SP800S等系列矢量网络分析仪协同工作，具备电-光、光-电和光-光3种元器件频谱响应参数的测量功能。

测量器件的传输特性：
精确的电（电信号发生器）或光（激光器）源用于激励被测组件后，由经过校准的光或电接收机来测量经过被测器件传输之后的信号，以此来测量器件的传输特性。

测量器件的反射特性：
如果是测量器件的反射特性，则是接收到达被测器件之后反射回来的信号进行测量。

由于传输性能和反射性能需要在不同频率下进行表征，因此调制频率通常会扫过目标带宽。微波网络分析仪内置信号源以及接收机，信号源负责输出电信号，接收机负责测量由被测器件输入的电信号，所以图中微波网络分析仪负责发射或接收电信号。

早在上世纪80年代，光通信刚刚兴起的时候，美国、英国和日本等发达国家就已经进行了相干光通信的理论研究和实验，并取得了不错的成果。

例如，美国AT&T及Bell公司，于1989和1990年在宾州的罗灵克里克地面站与森伯里枢纽站间，先后进行了1.3μm和1.55μm波长的1.7Gbps FSK现场无中继相干传输实验，传输距离达到35公里。

后来，进入90年代，专家们发现，日益成熟的EDFA（掺铒光纤放大器）和WDM（波分复用）技术，可以更简单、更有效地解决了光通信的中继传输和扩容问题。

于是，相干光通信的技术研究，就被冷落了。到了2008年左右，随着移动互联网的爆发，通信网络的数据流量迅猛增长，骨干网面临的压力陡增。

此时，EDFA和WDM技术的潜力已经越来越小。光通信厂商们，迫切需要找到新的技术突破点，提升光通信的传输能力，满足用户需求，缓解压力。

厂商们渐渐发现，随着数字信号处理（DSP）、光器件制造等技术的成熟，基于这些技术的相干光通信，刚好适合打破长距离大带宽光纤通信的技术瓶颈。

于是乎，顺理成章地，相干光通信从幕后走向了台前，迎来了自己的“第二春”。

相干收发器件是指包括光芯片、电芯片、承载基板/管壳和其他辅助元件的光电集成器件，实现相干调制和解调功能。相干收发器件的核心是光芯片，光芯片材料有硅光、磷化铟和薄膜铌酸锂等3种，其特性如表1所示。其中，硅光是当前小型化可插拔模块的主流选择；薄膜铌酸锂属于新材料和新技术，当前尚未产品化，有望在128GBd时代广泛应用。

表1相干光器件特性

密集波分复用技术已进入单波400G相干通信传输时代。单波400G有多种调制格式，如64GBd-PM-16QAM、96GBd-PM-16QAM-PS、128GBd-PM-QPSK，调制格式阶数越高，光信噪比要求越高，传输距离越短。相干光器件是相干通信的核心器件，包括相干光源和相干收发器件。相干收发器件按信号波特率可分为64GBd、96GBd和128GBd几种。64GBd相干光器件实现单波400G短距传输（PM-16QAM），128GBd相干光器件实现单波400G长距传输（PMQPSK）。而相对于传统的光通信，相干光通信有着更高的调制效率，大幅提高了灵敏度。

①解决示波器测试低信噪比问题
②实现ICR在片测试
③可同时得到幅度和相位响应曲线
④可用于相干光通信ICR测试

图 7 相干光器件ICR测试

也可以采用拍频法进行相干光器件测试：
①将两路激光信号同时激励至被测件，被测件检波输出的射频信号为此两路激光信号的拍频，通过调节其中一路激光源的波长，可以产生不同频率的拍频。

②通过比较不同拍频输出情况下的被测件的输出信号强度，得到被测件的频率响应，并确定工作带宽。

普尚SP800系列矢量网络分析仪拥有以下高测量性能：
①可内置双光源，C波段波长步进可调，接受定制（如850nm，1270nm，1330nm等特殊波长）
②OE和EO最高频率：900Hz-67(70)GHz
③幅度-频率响应不确定度：
±0.8dB（@50GHz，典型值）
±1.3dB（@60GHz，典型值）
④典型相位不确定度：±2°
⑤光光测量（选件）：幅度、相位、延时、长度