使用具有亞皮米級分辨率的CTP10——鑒定無源光器件的精細光譜響應

簡  介

  本文介紹了CTP10平臺如何利用內置的高分辨率功能，以亞皮米級波長分辨率執行光譜測量。

  CTP10是一個模塊化、高性能的多端口檢測系統，可與EXFO的系列連續掃頻可調諧激光器結合起來測試無源光器件。在CTP10平臺的各種可選模塊中，IL RL OPM2、IL PDL OPM2和SCANSYNC模塊提供了一款全面集成的解決方案，可在保持高性能的同時，以高達20 fm（飛米）的波長分辨率執行掃頻插損（IL）、偏振相關損耗（PDL）和回損（RL）測量。

  在使用CTP10的標準波長檢測模式時，可實現的最佳分辨率（即兩個數據點之間的波長間隔）為1 pm（皮米），滿足當前研發和制造的大部分需求?，F在，光子集成電路（PIC）器件有許多新的應用，如高Q值環形諧振腔和具有超精細光譜響應的器件。因此，要精準地鑒定這些器件的光譜，就需要亞皮米級的分辨率，這也是促使CTP10引入高分辨率波長檢測模式的原因所在。

  有了如此高的光譜采樣分辨率，就可以進行更先進的測量，如掃頻干涉測量（SWI）、激光器光源的零差檢測和光頻域反射測量（OFDR）。本文通過概念驗證實驗介紹了前兩種應用。在EXFO網站（EXFO.com）上有另一篇應用說明詳細介紹了如何使用CTP10進行OFDR測量。

在CTP10中設置高分辨率測量

  在CTP10上進行IL測量時，需要將IL RL OPM2或IL PDL OPM2模塊與SCAN SYNC模塊結合起來使用，如下圖所示。

  圖1：在CTP10上使用IL PDL OPM2、SCAN SYNC、OPM（光功率計）和PCM（光電流計）模塊，以亞皮米級分辨率進行掃頻IL測量的物理連接圖。

  圖1給出了使用CTP10進行IL和PDL測量時的典型配置示意圖。

  · 使用以太網線纜將可連續調諧激光器連接到CTP10主機上，這樣就可以通過CTP10接口完全控制激光器的掃描操作。

  · IL PDL OPM2模塊可在掃頻過程中實時監測激光器的功率變化情況并提供補償。將一部分光從IL PDL OPM2模塊發送到待測設備 (DUT)，另一部分發送到SCAN SYNC模塊。

  · 借助SCAN SYNC模塊，可以亞皮米級分辨率進行動態的波長測量。

  · 待測光器件的各個輸出端口連接到OPMx模塊中的功率計。

  在高分辨率模式下，為了確保激光器掃描期間的同步，需要將激光器側的TRIG OUT端口與CTP10背面的 TRIG IN端口進行BNC電氣連接。

CTP10界面內的高分辨率配置

  還必須在CTP0的圖形用戶界面（GUI）中進行亞皮米級的分辨率配置。同樣，與典型CTP10配置的唯一區別是，在圖形用戶界面的子系統選項卡中，在激光器的TRIG OUT端口與CTP10的TRIG INx端口之間增加了一個虛擬鏈路（見圖2左下方 - TRIG IN 1）。所選的TRIGINx端口（x為1至8）必須與CTP10背面的物理連接相對應。

  圖2：CTP10 GUI中的高分辨率模式配置。CTP10子系統包括一個IL PDL OPM2、一個SCAN SYNC和一個OPM6模塊?？稍贑TP10 GUI子系統選項卡的左下方選擇CTP10中的TRIG INx端口。

  在建立虛擬連接后，就可以使用GUI內掃描選項卡上的高分辨率采樣模式，如圖3所示。我們可以看到，高分辨率菜單提供五個選項供用戶選擇——從0.5 pm到0.02 pm（即從500 fm到20 fm）。在選擇完所需的波長分辨率，并以相應的分辨率確定檢測器的正確參考后，系統就可以執行測量了。

  圖3：在CTP10 GUI的掃描選項卡內，選擇高分辨率模式下的采樣分辨率。

應  用

  實現亞皮米級測量的能力為CTP10的新應用打開了大門，在這此類應用中，CTP10可以大顯身手。例如，光譜分辨率提高10倍，光頻域反射儀設置的測量范圍就會提高10倍。

  下面是一些用例，在這些用例中亞皮米級分辨率對于鑒定待測設備至關重要。

  用例1——測量集成光子環形諧振腔的超精細響應。

  如果在IL測量中使用更高的分辨率，就可以在高Q值環形諧振腔的光譜鑒定方面提供顯著優勢。例如，圖4顯示了Q值為600萬的環形諧振腔在波長為1550.000 nm，分辨率分別為1 pm和20 fm時的光譜響應對比情況。在分辨率為20 fm時，可以看到諧振腔吸收線的洛倫茲線形，而在分辨率為1 pm時則很難評估峰值的形狀和最大損耗。

  圖4：使用CTP10測量高Q值環形諧振腔的光譜響應，分辨率分別為1 pm（紅色）和20 fm（藍色）。設備由CEA-Leti提供。

  在對有精細光譜的設備進行PIC鑒定時，CTP10除了具備其它重要的優勢外，還可以使用內置的亞皮米級功能。事實上，即使在高分辨率模式下，還可以持續追蹤波長精準度、可重復性、光功率動態范圍和功率變化情況，使其它掃頻激光器相形見絀。掃描速度與分辨率有關，例如在以0.1 pm的分辨率進行光譜鑒定時，掃描速度為100 nm/s。

  圖5顯示的是另一臺高Q值環形諧振腔的光譜鑒定結果，所用的分辨率為0.1 pm，掃描速度為100 nm/s。CTP10測量結果顯示出環形諧振腔吸收線的洛倫茲線形，同時維持了在波長可重復性和動態范圍方面的性能。

  圖5：使用0.1 pm的分辨率測得的高Q值環形諧振腔的光譜響應。在掃描速度為100 nm/s時，CTP10的響應呈現出預期的吸收線洛倫茲線形。

  用例2——掃頻干涉測量（SWI）

  SWI是一種基于頻率的域干涉測量技術，用于光器件的傳遞函數（插損，TF）的單次掃描和高分辨率光譜測量。能夠以偏振平均組延遲、色度色散和其它線性參數的形式獲得精準的光譜振幅和相位測量值。在本文中，我們僅根據CTP10測量的干涉圖來確定馬赫-曾德爾干涉儀的光路長度差。

  下圖顯示了用于記錄基于光纖的馬赫-曾德爾干涉儀干涉圖的實驗設置。干涉儀的光路長度差與時間延遲τ0相對應，產生的干涉圖的FSR等于1/τ0，這意味著根據奈奎斯特-香農采樣定理，CTP10要正確測量干涉圖，其采樣分辨率必須達到 1/（2τ0）的數量級。當分辨率設置為0.02 pm時，我們發現采樣頻率約為2.56 MHz，測量范圍可達40 m。

  圖6：用于記錄基于光纖的馬赫-曾德爾干涉儀干涉圖的實驗設置。為了優化干涉條紋的可見度，必須使用偏振控制器。

  我們可以在頻域干涉圖上應用快速傅立葉變換（FFT），精準地確定干涉儀的光路長度差（見圖7）。該干涉儀的時間延遲τ0為 21.1 ns，對應的光路長度差L約為4.3 m（L = τ0 * c/n，其中c為光速，n為折射率，光纖的n =1.469）。

  圖7：基于光纖的馬赫-曾德爾干涉儀干涉圖以及利用FFT確定其光路長度差。上——在頻域中繪制干涉圖。干涉圖的FSR約為50 MHz。下——干涉圖的時域傅立葉頻譜顯示出與干涉圖周期性相關的峰值。

  用例3——零差檢測：波長計仿真。

  使用零差檢測技術可以實現極為精準的光源波長測量，該技術包括在光電檢測器上將待測光源（SUT）：激光器類且波長固定，與連續掃頻可調諧激光器組合或混合起來。當兩個光源的光譜相同時，就會產生干涉圖樣。通過測量這個干涉圖樣，可以確定待測光源的發射波長。

  圖8：在CTP10中實施零差檢測技術。當待測光源與掃頻可調諧激光器的光譜相同時，在光電檢測器中將它們組合或混合起來會產生干涉圖樣。通過測量干涉圖樣，可以確定待測光源的發射波長。

  在CTP10中，零差檢測可以提供掃頻激光器掃描過的峰值波長值。當掃頻激光器波長接近待測光源的峰值波長時，會產生干涉條紋，在待確定的標稱波長處具有最高峰值。圖8顯示了進行波長測量的設置。它包括一個2 x 1光耦合器，將待測光源和T200S掃頻可調激光器組合起來。耦合器的輸出端連接到CTP10中的一個檢測器，該檢測器的光功率被限制為+10 dBm。為了觀測到最佳的干涉效果，必須注意在光耦合器的待測光源與掃頻激光器中發射相同的偏振和相等的光功率。此外，還設置了高達20 fm的采樣分辨率，以分辨干涉條紋。

  為了提高波長測量的精準度，會使用CTP10上的C2H2氣體腔來確定參考的光學波長。該流程已內置在CTP10 GUI中，只需幾秒的時間即可完成。

  在下圖中，我們繪制了鎖相DFB激光器在1530.3686 nm參考波長處光譜線的十次測量結果。這十次測量結果的集合定義了中心波長所在的0.5 pm處的FWHM；在本例中為1530.3685 nm。由于待測光源和掃頻可調諧激光器沒有相互鎖定，因此每次測量的主峰位置有所不同。此外，可見的干涉條紋數量有限，這是因為可用的檢測帶寬為10 MHz左右。

  圖9：鎖相DFB激光器在1530.3686 nm參考波長處光譜線的十次測量結果。

總  結

  高分辨率的光譜測量使CTP10能夠在多種應用中發揮巨大作用，提供從500 fm到20 fm的采樣分辨率，同時持續追蹤波長精準度、可重復性、光功率動態范圍和功率變化情況。借助CTP10器件測試平臺以及EXFO的連續可調諧掃頻激光器T200S和T500S，可以實現高分辨率的光譜測量。