光電器件是光通信系統的核心部分，同時在整個光傳輸系統里也占據非常重要的地位，高速及超高速光電器件相關技術也是光通信領域中最具有前瞻性和先導性的領域。作為光通信產業的核心一環，基礎芯片和器件的發展，關系到中國光通信產業的整體競爭力，也已成為目前中國光通信長足發展的關鍵瓶頸。隨著光電器件及芯片自研增加，針對光電器件測試將變得日益重要。

目前數據傳輸速率成倍增長，光波傳輸系統變得越來越先進，器件設計人員和制造商必須最大限度地提高其產品的性能才能夠滿足日益增長的需求。

數字光通信系統的性能最終是通過比特誤碼率(Bit Error Ratio Test (BERT))來檢驗，但光電元器件(如調制器、PIN-TIA接收機和檢波器)的模擬特性，對整個傳輸系統的性能也起著決定性的作用。只有在調制信號帶寬上，準確地設計這些電光器件，才能保證信號在整個系統中高效地傳輸。

而光電元器件分析儀(Optical Vector Network Analyzer)就是測試不同速率/帶寬的電光器件、光纖通道、有線電視傳輸系統、光載無線電和航空航天與國防等應用中的所有相關光電元器件S參數(例如S21、S11和S22)的首選儀器。

光電元器件分析儀可測量PIN二極管、APD、LiNbO3和電吸收調制器以及調制激光源的電光S21響應度。

根據這一測量結果，可以確定絕對響應度、3dB截止頻率以及相對和絕對群時延。

圖1 光電器件的測量分析

目前大多數工程師更熟悉的光模塊測試是分別用采樣示波器和誤碼儀來測試眼圖和誤碼率，通過眼圖和誤碼率的參數來衡量光模塊中發射機和接收機的特性。

這種測試時所用的信號是NRZ或者PAM4調制的數字信號，碼型是PRBS偽隨機碼。NRZ和PAM4信號在時域上是變化的電平，NRZ是兩電平變化的，PAM4是四個電平在變化，如圖2所示。

光通信工程師經常用誤碼率和眼圖來衡量光通信器件的性能。但是，誤碼率或眼圖通常是用來衡量系統性能，很難用誤碼率來衡量組成系統的各個器件的性能。因此，高速光電元器件分析儀應用到光電器件的分析中來，用于表征器件的性能。

圖2.1 NRZ(“PAM-2”)

①2個幅度電平

②每個符號有1比特信息

③28 Gbaud NRZ=28 Gb/s

圖2.2 PAM4

①4個幅度電平

②每個符號有2比特信息

③對于同樣的符號速率吞吐量翻倍

較低的信噪比SNR，對噪聲更敏感

④TX/RX的設計更復雜，成本更高

圖3 數字信號頻譜分布

數字信號的頻譜，無論是NRZ還是PAM4調制，或是PRBS的任意編碼形式，其頻譜都呈sinc函數型（如圖3），因此我們很難在頻域上解析信號中的信息，因此如果想去解析傳輸信號中包含的信息，我們通常是在時域上進行解析的。

而測試眼圖或者誤碼率就是在時域上評判系統的優劣，如果眼圖和誤碼率都能滿足指標要求，那說明系統的功能是優異的，該系統可以無失真的傳輸信號，而反之，如果測試發現眼圖或是誤碼率都不能滿足指標要求，眼睛睜不開，或者誤碼率很高，那么我們就要考慮是否是組成系統的器件的性能出現了問題。

器件性能對信號傳輸最主要的影響就包括器件帶寬的影響，因此，當單路速率比較高時，我們通常都會去測器件的頻域性能，即頻率響應。

如圖3所示的時域信號，轉換到頻域上我們可以看到，是一個sinc函數的包絡，該頻譜的主要頻譜能量都分布在sinc函數的第一過零點以內，第一過零點是由比特率來決定。從頻譜分布來看，可知比特率越高，上升時間越小，信號所占用的頻譜帶寬就越大。

因此，當我們傳輸速率比較高的時候，就需要保證器件的帶寬足夠大，這樣才能夠滿足無失真傳輸大帶寬信號的條件。而光波器件分析儀LCA的主要功能就是測試光電器件的頻域特性的。

時域測試與頻域測試并不是完全獨立的，他們是有一定關系的。

時域測試時，在整個測試鏈路中傳輸的信號是數字信號，從頻域上看所有的所有頻率分量雖然幅度各不相同，但它們是同時存在于測試鏈路中的，如圖3所示。

而頻域測試，每一時刻，鏈路中只存在一個單獨的頻率分量，每一時刻都測量一個單獨的頻率分量下的器件性能，信號頻率隨著時間掃描，從測試的起始頻率掃描到終止頻率，最終獲得整個測試帶寬的頻率響應。

保證器件的帶寬是足夠傳輸高速信號的，這一步叫做器件的性能測試。

性能測試通關之后才會進行封裝，封裝后還要進行時域的測試，這一步通常叫做功能測試。

因此對于一個合格的器件的生產，尤其是高速光通信器件，頻域和時域的測試都是必不可少的。如圖4，就是一個光模塊的生命周期，以及他們這個周期中需要經歷的測試，在光模塊出廠之前，需要分別經歷晶元的生產，電路集成，晶元測試，切割，校準，封裝，功能測試等流程，其中晶元測試我們一般會測器件的波長域的性能以及頻域的性能（光電元器件分析儀完成），在封裝后，要進行功能性測試（時域測試，眼圖誤碼等）。

圖4 光模塊的生命周期

從分類上來說，所有的光電(O/E)，電光(E/O)，光光(O/O)，電電(E/E)器件都是光電元器件分析儀的被測對象。如圖5所示，光電二極管，調制器，激光器，或相干通信中的Mach-Zehnder調制器和ICR接收機。光電元器件分析儀都能將其器件性能準確的測量出來。

圖5.1 典型電光器件

圖5.2 典型光電器件

測量參數的概念也很簡單，它測量了各種光電器件的小信號線性傳輸和反射特性。傳輸特性和反射特性的定義如下圖6所示。

傳輸特性就是對比進入被測器件的信號和經過被測器件之后的信號，以此可以得到被測器件對信號的增益或是衰減或是叫做轉換效率。

反射特性同理，對比進入被測器件的信號和從被測器件反射回來的信號，以此可以得到被測器件對信號的反射特性。

圖6 傳輸特性與反射特性定義

OCA系列光電元器件分析儀（Optical Component Analyzer）是基于“微波光子技術”，利用光電測量擴展座，搭配上海普尚電子(Prosund）SP800B/SP800P/SP800S等系列矢量網絡分析儀協同工作，具備電-光、光-電和光-光3種元器件頻譜響應參數的測量功能。

測量器件的傳輸特性：

精確的電（電信號發生器）或光（激光器）源用于激勵被測組件后，由經過校準的光或電接收機來測量經過被測器件傳輸之后的信號，以此來測量器件的傳輸特性。

測量器件的反射特性：

如果是測量器件的反射特性，則是接收到達被測器件之后反射回來的信號進行測量。

由于傳輸性能和反射性能需要在不同頻率下進行表征，因此調制頻率通常會掃過目標帶寬。微波網絡分析儀內置信號源以及接收機，信號源負責輸出電信號，接收機負責測量由被測器件輸入的電信號，微波網絡分析儀負責發射或接收電信號。

早在上世紀80年代，光通信剛剛興起的時候，美國、英國和日本等發達國家就已經進行了相干光通信的理論研究和實驗，并取得了不錯的成果。

例如，美國AT&T及Bell公司，于1989和1990年在賓州的羅靈克里克地面站與森伯里樞紐站間，先后進行了1.3μm和1.55μm波長的1.7Gbps FSK現場無中繼相干傳輸實驗，傳輸距離達到35公里。

后來，進入90年代，專家們發現，日益成熟的EDFA（摻鉺光纖放大器）和WDM（波分復用）技術，可以更簡單、更有效地解決了光通信的中繼傳輸和擴容問題。

于是，相干光通信的技術研究，就被冷落了。到了2008年左右，隨著移動互聯網的爆發，通信網絡的數據流量迅猛增長，骨干網面臨的壓力陡增。

此時，EDFA和WDM技術的潛力已經越來越小。光通信廠商們，迫切需要找到新的技術突破點，提升光通信的傳輸能力，滿足用戶需求，緩解壓力。

廠商們漸漸發現，隨著數字信號處理（DSP）、光器件制造等技術的成熟，基于這些技術的相干光通信，剛好適合打破長距離大帶寬光纖通信的技術瓶頸。

于是乎，順理成章地，相干光通信從幕后走向了臺前，迎來了自己的“第二春”。

相干收發器件是指包括光芯片、電芯片、承載基板/管殼和其他輔助元件的光電集成器件，實現相干調制和解調功能。相干收發器件的核心是光芯片，光芯片材料有硅光、磷化銦和薄膜鈮酸鋰等3種，其特性如表1所示。其中，硅光是當前小型化可插拔模塊的主流選擇；薄膜鈮酸鋰屬于新材料和新技術，當前尚未產品化，有望在128GBd時代廣泛應用。

表1 相干光器件特性

密集波分復用技術已進入單波400G相干通信傳輸時代。單波400G有多種調制格式，如64GBd-PM-16QAM、96GBd-PM-16QAM-PS、128GBd-PM-QPSK，調制格式階數越高，光信噪比要求越高，傳輸距離越短。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發器件。相干收發器件按信號波特率可分為64GBd、96GBd和128GBd幾種。64GBd相干光器件實現單波400G短距傳輸（PM-16QAM），128GBd相干光器件實現單波400G長距傳輸（PM-QPSK）。而相對于傳統的光通信，相干光通信有著更高的調制效率，大幅提高了靈敏度。

①解決示波器測試低信噪比問題

②實現ICR在片測試

③可同時得到幅度和相位響應曲線

④可用于相干光通信ICR測試

圖7 相干光器件ICR測試

也可以采用拍頻法進行相干光器件測試：

①將兩路激光信號同時激勵至被測件，被測件檢波輸出的射頻信號為此兩路激光信號的拍頻，通過調節其中一路激光源的波長，可以產生不同頻率的拍頻

②通過比較不同拍頻輸出情況下的被測件的輸出信號強度，得到被測件的頻率響應，并確定工作帶寬

普尚SP800系列矢量網絡分析儀擁有以下高測量性能：

①可內置雙光源，C波段波長步進可調，接受定制（如850nm，1270nm，1330nm等特殊波長）

②OE和EO最高頻率：900Hz-67(70)GHz

③幅度-頻率響應不確定度：

±0.8dB（@50GHz,典型值）

±1.3dB（@60GHz,典型值）

④典型相位不確定度：±2°

⑤光光測量（選件）：幅度、相位、延時、長度

審核編輯：湯梓紅