【经验】光电器件测试为何要用LCA高速光波器件分析仪以及LCA需要测什么？

时间： 2020-03-15 来源：Keysight

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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。

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，高速光波器件分析仪应用到光波器件的分析中来，用于表征器件的性能。

高速光波器件分析仪（以下简称LCA）

用于测量不同调制频率成分下的光电传输和电反射特性，目前可以在高达110 GHz调制频率下执行校准和可溯源的测量。

本篇应用报告，在技术层面探讨了为何要用LCA来进行测试，哪些是LCA的被测器件，需要测哪些参数以及测量时需要注意事项等问题。

01、时域测试(眼图/误码率)与频域测试(光网络分析仪)的关系

光通信中的时域测试

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1所示。

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2），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。

光通信中的频域测试

如图1所示的时域信号，转换到频域上我们可以看到，他是一个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2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。

我们来简单通俗的理解一下频域和时域测试：

如果说时域测试是对被测器件进行的一次阅读理解的测试，让被测器件对整段文章进行一次阅读，通过阅读的结果来判断被测器件对传输信息的处理是否正确，那么频域测试则可以认为是让被测器件一个字一个字的识别，看看被测器件是否是每个字都认识。

如果发现被测器件很多字都不认识（通过频域测试发现带宽不够），那么这个器件也没办法通过阅读理解的考核（眼图/误码率测试不过关）。频域测试过程如图3所示。

因此，在光模块出厂前，也就是当光模块中的器件还是芯片的时候，工程师们就需要对芯片进行频域测试。

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（LCA完成），在封装后，要进行功能性测试（时域测试，眼图误码等）。

02、光网络分析仪LCA的被测器件以及测量参数

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LCA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。LCA都能将其器件性能准确的测量出来

LCA测量参数的概念也很简单，它测量了各种光波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。

因此，在光模块出厂前，也就是当光模块中的器件还是芯片的时候，工程师们就需要对芯片进行频域测试。

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。

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。

光测试座中内置有两类器件：

a. 左边内置调制器

可以将微波网络分析仪输出的电信号调制到光信号上（对光信号进行幅度调制，调制函数由电信号决定，其中光信号只是作为载波）。

b. 右边内置探测器

主要目的是将光载波去掉，分离出的电信号再返回给微波网络分析仪进行电的测试。

图8展示了LCA测试的基本概念，下面我们分别介绍一下不同类型的器件的测试原理。

1)E/O测量(调制器，激光器，LED)

E/O器件的测量是输入调制电流或电压与输出光调制功率相比。对于电流或电压转换设备，可以用光功率比输入电流或输入电压来表征频率响应度。以图形方式显示在图9中。

LCA分别测量输入调制电流和输出调制功率，最终得到两者的比值，单位为瓦特/安培，LCA支持以线性或者dB的方式显示。0dB代表1Watt/Amps。

LCA可用于测试激光器和LED等器件的传输和反射参数。最重要的测试参数是器件的带宽/频率响应，EO器件的连接图如图10所示，由PortA电口为被测器件提供一个电信号激励，被测器件输出的光信号，有光座上的光接收端口接收。

我们来看一个调制器的测试案例，通过这个测试案例来理解LCA测试的参数是如何表征被测器件性能的。其中蓝色是调制器1的结果，紫色是调制器2的结果。每个调制器都有两种参数来表征，S21和S11(1端口的反射性能)。

其中横坐标为调制频率，纵坐标S21为瓦特每安培(W/A)，S21 (网络分析仪1端口激励被测器件，被测器件输出的信号进入到2端口的传输性能)是指器件的传输性能。通过S21可以反映器件对不同频率信号的衰减值的大小，S21的值越小，说明在同等电流激励的情况下，器件输出的功率越小，器件性能越差。

当(2)和(3)之间的电压达到19V(通常GaN管子的关断电压就是±19V)时，GaN管子就会关断，因此施加在Si基MOSFET管子上的最大电压就是19V。

纵坐标S11，是指网络分析仪1端口反射功率与输入功率之比，回波损耗是反射的射频功率与入射的射频功率之比(10 Log(P refl/P inc))，指器件的反射性能，我们希望反射回来的信号越小越好，因此S11值是越小越好，说明器件反射损耗小。

那么从被测结果来看，整个67 GHz范围内的反射系数从低于–18 dB的最佳情况到–2 dB的最坏情况都不同。反射频率随着调制频率的增加而变差的情况是非常常见的。回波损耗幅度越大，反射信号越小，阻抗匹配越好。

从调制器2的测试结果看，性能明显是有缺陷的，问题就发生在55G左右的频率上，调制器2的S21有一个明显的凹坑，而S11上有明显的凸起。

这说明调制器2在55G频率上的性能是存在问题的，且问题的原因是RF阻抗不匹配，这说明调制器2在许多应用中是无法使用的，因为当传输信号中存在55G左右的频率分量时，信号的功率会被被测器件反射掉，造成信号的失真，进而产生高误码率。

而当我们测量高速光通信器件时，如果我们只是去测其眼图或是误码率，也许只能知道误码率高，而不知道问题是发生在哪里。LCA就可以帮助我们指导研发，并快速的甄别器件的优劣。

当然，如果被测器件是激光器，激光器的频率响应还取决于偏置条件。随着激光器直流偏置的增加，带宽通常会增加。这通常是由于“relaxation oscillation”特性随偏置而变化的原因。relaxation oscillation现象会在频率响应，噪声和激光器失真中产生共振。图11是在四个不同的偏置/输出功率电平下进行的带宽测量的合成。

注意-4dBm和-1dBm对应的的两条迹线，频率响应趋于在下降之前达到峰值。这是relaxation oscillation的区域。在该区域调制激光时必须小心，因为这是噪声和失真性能最差的地方。随着偏置的增加，峰值和带宽都增加。对于这种激光器，当偏置达到某个点时，峰值开始趋于饱和。

2)O/E测量

O/E的测试与E/O测试很相似。只不过对被测器件来说，输入的是光功率信号，输出的是电流，因此频率响应是输出的调制电流与输入的调制光功率之比，如图12所示。

LCA负责测量出入的调制光功率和输出的调制电流，然后给出其功率与电流之比，单位为Amps/Watt。LCA支持以线性或者dB的方式显示。0dB代表1Amps/Watt。

O/E器件测试的连接方式如图13所示，从光座的光输出口给被测器件调制光功率激励，被测器件输出的电信号返回到Port B端口，由Port B端口返回微波网络分析仪。

下面我们同样举例来说明LCA测试的结果。

图14的显示了一个光电二极管的测试结果。纵轴显示单位是安培每瓦，横轴是调制频率，测量结果表征了该光电二极管转换效率与调制频率的关系。

S22回波损耗测量显示了纯电阻匹配检测器的典型特性。它在非常低的频率下显示出出色的匹配特性，但是在接近调制带宽时，由于匹配电阻与探测器芯片电容短路。

因此匹配性很差，可以看到S22反射特性逐渐变差(注意纵轴左边，S22纵坐标中心位置为0dB，每格为10dB的间隔，0dB代表全反射)。

03、LCA选型以及测试注意事项

以上我们阐述了为何测试高速光电器件时需要LCA，并解释了LCA测量的参数，这一小节我们将会介绍选用LCA时需要注意的事项。在选用LCA时需要注意器件的电的带宽，这主要是由被测器件的最大传输速率决定的，另外就是激光源的波长，常用的有850nm(多模)，1310nm和1550nm(单模)，KEYSIGHT相应的产品方案如图10所示。

除此之外，校准是使用光网络分析仪时大家最关心的问题，因为LCA是精密仪器，我们的追求是能够将测试中所使用所有器件的频率响应都进行有效校准，从而单纯得到被测器件的频率响应

LCA是高精度的精密测试仪表，但在前面章节我们提到过，由于光电或者电光器件（激光器、探测器），会受到很多因素的影响，例如偏置电压、光偏振态、调制频率、光波长都会影响器件的频率响应，因此客户会担心，光电器件易受外界影响的特性是否会影响LCA测试的重复性，导致测试不够准确。

为了解决这个问题，Keysight的光网络分析仪，自主研发生产高带宽高可靠性的光座，并且在校准方面做了大量的工作，在不同的偏置电压，光偏振态，调制频率以及不同光波长下的多种组合下，都对仪表内部的光电器件做了校准，形成一套庞大、完整的校准矩阵，当用户使用时，软件会自动自检内置光电器件当前的状态，调取相应的数据，从而保证给到用户最精确，最稳定的测试结果。除了光电器件Keysight做了完备的校准，对于用户所使用的电缆或者电探针等附件，Keysight也有完整的校准方案，电缆的校准有高精度电子校准件，电探针的校准有完善的去嵌入算法，帮助客户快速精确的做校准。

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