使用具有亚皮米级分辨率的CTP10——鉴定无源光器件的精细光谱响应

简  介

  本文介绍了CTP10平台如何利用内置的高分辨率功能，以亚皮米级波长分辨率执行光谱测量。

  CTP10是一个模块化、高性能的多端口检测系统，可与EXFO的系列连续扫频可调谐激光器结合起来测试无源光器件。在CTP10平台的各种可选模块中，IL RL OPM2、IL PDL OPM2和SCANSYNC模块提供了一款全面集成的解决方案，可在保持高性能的同时，以高达20 fm（飞米）的波长分辨率执行扫频插损（IL）、偏振相关损耗（PDL）和回损（RL）测量。

  在使用CTP10的标准波长检测模式时，可实现的最佳分辨率（即两个数据点之间的波长间隔）为1 pm（皮米），满足当前研发和制造的大部分需求。现在，光子集成电路（PIC）器件有许多新的应用，如高Q值环形谐振腔和具有超精细光谱响应的器件。因此，要精准地鉴定这些器件的光谱，就需要亚皮米级的分辨率，这也是促使CTP10引入高分辨率波长检测模式的原因所在。

  有了如此高的光谱采样分辨率，就可以进行更先进的测量，如扫频干涉测量（SWI）、激光器光源的零差检测和光频域反射测量（OFDR）。本文通过概念验证实验介绍了前两种应用。在EXFO网站（EXFO.com）上有另一篇应用说明详细介绍了如何使用CTP10进行OFDR测量。

在CTP10中设置高分辨率测量

  在CTP10上进行IL测量时，需要将IL RL OPM2或IL PDL OPM2模块与SCAN SYNC模块结合起来使用，如下图所示。

  图1：在CTP10上使用IL PDL OPM2、SCAN SYNC、OPM（光功率计）和PCM（光电流计）模块，以亚皮米级分辨率进行扫频IL测量的物理连接图。

  图1给出了使用CTP10进行IL和PDL测量时的典型配置示意图。

  · 使用以太网线缆将可连续调谐激光器连接到CTP10主机上，这样就可以通过CTP10接口完全控制激光器的扫描操作。

  · IL PDL OPM2模块可在扫频过程中实时监测激光器的功率变化情况并提供补偿。将一部分光从IL PDL OPM2模块发送到待测设备 (DUT)，另一部分发送到SCAN SYNC模块。

  · 借助SCAN SYNC模块，可以亚皮米级分辨率进行动态的波长测量。

  · 待测光器件的各个输出端口连接到OPMx模块中的功率计。

  在高分辨率模式下，为了确保激光器扫描期间的同步，需要将激光器侧的TRIG OUT端口与CTP10背面的 TRIG IN端口进行BNC电气连接。

CTP10界面内的高分辨率配置

  还必须在CTP0的图形用户界面（GUI）中进行亚皮米级的分辨率配置。同样，与典型CTP10配置的唯一区别是，在图形用户界面的子系统选项卡中，在激光器的TRIG OUT端口与CTP10的TRIG INx端口之间增加了一个虚拟链路（见图2左下方 - TRIG IN 1）。所选的TRIGINx端口（x为1至8）必须与CTP10背面的物理连接相对应。

  图2：CTP10 GUI中的高分辨率模式配置。CTP10子系统包括一个IL PDL OPM2、一个SCAN SYNC和一个OPM6模块。可在CTP10 GUI子系统选项卡的左下方选择CTP10中的TRIG INx端口。

  在建立虚拟连接后，就可以使用GUI内扫描选项卡上的高分辨率采样模式，如图3所示。我们可以看到，高分辨率菜单提供五个选项供用户选择——从0.5 pm到0.02 pm（即从500 fm到20 fm）。在选择完所需的波长分辨率，并以相应的分辨率确定检测器的正确参考后，系统就可以执行测量了。

  图3：在CTP10 GUI的扫描选项卡内，选择高分辨率模式下的采样分辨率。

应  用

  实现亚皮米级测量的能力为CTP10的新应用打开了大门，在这此类应用中，CTP10可以大显身手。例如，光谱分辨率提高10倍，光频域反射仪设置的测量范围就会提高10倍。

  下面是一些用例，在这些用例中亚皮米级分辨率对于鉴定待测设备至关重要。

  用例1——测量集成光子环形谐振腔的超精细响应。

  如果在IL测量中使用更高的分辨率，就可以在高Q值环形谐振腔的光谱鉴定方面提供显著优势。例如，图4显示了Q值为600万的环形谐振腔在波长为1550.000 nm，分辨率分别为1 pm和20 fm时的光谱响应对比情况。在分辨率为20 fm时，可以看到谐振腔吸收线的洛伦兹线形，而在分辨率为1 pm时则很难评估峰值的形状和最大损耗。

  图4：使用CTP10测量高Q值环形谐振腔的光谱响应，分辨率分别为1 pm（红色）和20 fm（蓝色）。设备由CEA-Leti提供。

  在对有精细光谱的设备进行PIC鉴定时，CTP10除了具备其它重要的优势外，还可以使用内置的亚皮米级功能。事实上，即使在高分辨率模式下，还可以持续追踪波长精准度、可重复性、光功率动态范围和功率变化情况，使其它扫频激光器相形见绌。扫描速度与分辨率有关，例如在以0.1 pm的分辨率进行光谱鉴定时，扫描速度为100 nm/s。

  图5显示的是另一台高Q值环形谐振腔的光谱鉴定结果，所用的分辨率为0.1 pm，扫描速度为100 nm/s。CTP10测量结果显示出环形谐振腔吸收线的洛伦兹线形，同时维持了在波长可重复性和动态范围方面的性能。

  图5：使用0.1 pm的分辨率测得的高Q值环形谐振腔的光谱响应。在扫描速度为100 nm/s时，CTP10的响应呈现出预期的吸收线洛伦兹线形。

  用例2——扫频干涉测量（SWI）

  SWI是一种基于频率的域干涉测量技术，用于光器件的传递函数（插损，TF）的单次扫描和高分辨率光谱测量。能够以偏振平均组延迟、色度色散和其它线性参数的形式获得精准的光谱振幅和相位测量值。在本文中，我们仅根据CTP10测量的干涉图来确定马赫-曾德尔干涉仪的光路长度差。

  下图显示了用于记录基于光纤的马赫-曾德尔干涉仪干涉图的实验设置。干涉仪的光路长度差与时间延迟τ0相对应，产生的干涉图的FSR等于1/τ0，这意味着根据奈奎斯特-香农采样定理，CTP10要正确测量干涉图，其采样分辨率必须达到 1/（2τ0）的数量级。当分辨率设置为0.02 pm时，我们发现采样频率约为2.56 MHz，测量范围可达40 m。

  图6：用于记录基于光纤的马赫-曾德尔干涉仪干涉图的实验设置。为了优化干涉条纹的可见度，必须使用偏振控制器。

  我们可以在频域干涉图上应用快速傅立叶变换（FFT），精准地确定干涉仪的光路长度差（见图7）。该干涉仪的时间延迟τ0为 21.1 ns，对应的光路长度差L约为4.3 m（L = τ0 * c/n，其中c为光速，n为折射率，光纤的n =1.469）。

  图7：基于光纤的马赫-曾德尔干涉仪干涉图以及利用FFT确定其光路长度差。上——在频域中绘制干涉图。干涉图的FSR约为50 MHz。下——干涉图的时域傅立叶频谱显示出与干涉图周期性相关的峰值。

  用例3——零差检测：波长计仿真。

  使用零差检测技术可以实现极为精准的光源波长测量，该技术包括在光电检测器上将待测光源（SUT）：激光器类且波长固定，与连续扫频可调谐激光器组合或混合起来。当两个光源的光谱相同时，就会产生干涉图样。通过测量这个干涉图样，可以确定待测光源的发射波长。

  图8：在CTP10中实施零差检测技术。当待测光源与扫频可调谐激光器的光谱相同时，在光电检测器中将它们组合或混合起来会产生干涉图样。通过测量干涉图样，可以确定待测光源的发射波长。

  在CTP10中，零差检测可以提供扫频激光器扫描过的峰值波长值。当扫频激光器波长接近待测光源的峰值波长时，会产生干涉条纹，在待确定的标称波长处具有最高峰值。图8显示了进行波长测量的设置。它包括一个2 x 1光耦合器，将待测光源和T200S扫频可调激光器组合起来。耦合器的输出端连接到CTP10中的一个检测器，该检测器的光功率被限制为+10 dBm。为了观测到最佳的干涉效果，必须注意在光耦合器的待测光源与扫频激光器中发射相同的偏振和相等的光功率。此外，还设置了高达20 fm的采样分辨率，以分辨干涉条纹。

  为了提高波长测量的精准度，会使用CTP10上的C2H2气体腔来确定参考的光学波长。该流程已内置在CTP10 GUI中，只需几秒的时间即可完成。

  在下图中，我们绘制了锁相DFB激光器在1530.3686 nm参考波长处光谱线的十次测量结果。这十次测量结果的集合定义了中心波长所在的0.5 pm处的FWHM；在本例中为1530.3685 nm。由于待测光源和扫频可调谐激光器没有相互锁定，因此每次测量的主峰位置有所不同。此外，可见的干涉条纹数量有限，这是因为可用的检测带宽为10 MHz左右。

  图9：锁相DFB激光器在1530.3686 nm参考波长处光谱线的十次测量结果。

总  结

  高分辨率的光谱测量使CTP10能够在多种应用中发挥巨大作用，提供从500 fm到20 fm的采样分辨率，同时持续追踪波长精准度、可重复性、光功率动态范围和功率变化情况。借助CTP10器件测试平台以及EXFO的连续可调谐扫频激光器T200S和T500S，可以实现高分辨率的光谱测量。