硅光第三篇：偏振系列仪表

 

在自由空间中，光波作为一种横波，其电场与磁场的振动方向位于垂直于传播方向的横截面上，并可呈现出多种可能的取向。这种特性即为光的偏振。偏振现象在众多领域如相干光通信、工业检测、生物医学、地球遥感、现代军事、航空以及海洋研究等中，展现了重要的应用价值。当前，在光通信领域内，偏振的操控大多依赖于分立的光学元件来实现，然而，这类结构对性能提升和成本控制形成了显著限制。展望未来，光学偏振操控器件的发展方向将趋向集成化与芯片化，以克服现有技术瓶颈，推动相关领域的进步与发展。

 

值得一提的是，分析光组件的偏振相关特性已经成为当今光学研发实验室及生产过程中一个不可或缺的测试和测量环节。Keysight N778XC系列偏振测试产品能够对光学元件及子系统进行高速、高性能的表征和验证。是德科技提供了多种偏振测试仪表，以满足不同的需求。接下来，我们将逐一介绍这些产品。

 

 

N7781C偏振分析仪

 

Keysight N7781C 是一款紧凑型高速偏振分析仪，专为精确分析光信号的偏振特性而设计。它能够以邦加球（通过斯托克斯参数）的形式表示偏振状态(SOP)。该设备内部集成了先进的算法和校准数据，确保在宽广的波长范围内实现高精度的操作。这使得N7781C成为实验室和生产环境中进行偏振测量的理想选择。

由于该仪器具备每秒1百万样本（1 M samples/s）的实时测量能力和250kHz的模拟带宽，它非常适合用于分析受干扰和波动的信号，以及需要实时反馈偏振状态的控制应用。例如，在自动生产测试系统中的数字控制环路里，这种能力使得N7781C成为进行高速、精确偏振状态监控的理想选择。其卓越的性能确保了即使在信号快速变化的情况下，也能实现稳定可靠的控制与测试。

该设备主要用于检测和测量：

•

偏振分析SOP/DOP

•

斯托克斯参数

•

保偏光纤消光比

•

偏振扰频仪性能分析

•

入侵监测

 

指标	N7781C
波长范围	1240nm - 1650nm
SOP测量不确定度	1.5°(典型值)
DOP测量不确定度	± 2% ± 1.5%(典型值)
相对功率测量不确定度(由于PDL)	± 0.05 dB ± 0.04 dB(典型值)
输入功率范围	–50 dBm - +7 dBm
最大安全输入功率	+12 dBm

 

 

N7785C偏振控制器

 

Keysight N7785C 是一款高速同步扰偏器，具备输入和输出触发功能，能够精确且重复地切换一系列偏振状态(SOP)。该设备支持多种操作模式，包括：

•

作为同步扰偏器，该设备以随机的方式但是重复的模式切换输出信号的SOP。SOP切换在几微秒内完成，SOP在预定时间内保持稳定，直到再次切换到新的SOP。外部触发输入可将扰偏器和外部事件同步。

•

切换SOP状态，N7785C能够以极高的速度和重复性将内部波片切换到用户定义的角度。

•

作为传统扰偏器，N7785C以随机方式平滑地改变输出SOP。

•

作为偏振稳定器，N7785C通过SCPI编程反馈命令将输出的SOP稳定在外部参考上。

 

指标	N7785C
波长范围	1240nm - 1650nm(Opt 001) 1480nm - 1620nm(Opt 002)
SOP 循环时间	< 10 µs
输出功率对扰偏敏感度 (峰峰值,典型值)	< 0.4 dB < 0.18 dB @1550nm
插入损耗	< 3.5 dB(典型值) < 3.25 dB @1550nm
最大安全输入功率范围	+20 dBm

 

 

N7786C偏振合成器
 

 

Keysight N7786C 集成了一个基于铌酸锂的高速偏振控制器和一个偏振分析仪。该偏振分析仪能够实时监测输出信号的偏振状态，并向控制器提供即时反馈，以确保精确的偏振控制与调整。N7786C 设备支持多种工作模式：

•

作为偏振稳定器，提供稳定的偏振输出状态即使输入信号的SOP发生波动和偏移。然后稳定输出的偏振状态的信号在SMF中传输。其中输出的SOP可以通过下面的方式定义：

○ 在GUI界面中激活“set-and-forget”功能，当前的SOP被存储和维持，即使仪器输入端信号的偏振态发生变化。

○ 定义Stocks参数：用户可使用Stocks参数定义目标输出SOP，然后使用偏振分析仪反馈设置这些参数。

○ 定义SOP sequence：设备按照选定的pattern切换输出信号的SOP，循环速度高达 100 kSOPs/s。

•

SOP状态切换，N7786C以设定速率循环通过SOP序列，最高可达40 kHz以上。SOP序列内部设置首先使用稳定器的功能确定，SOP切换在几微秒内完成。外部触发输入可用于使扰偏器与外部事件同步。

•

作为传统扰偏器，N7786C以随机改变输出SOP，可在几毫秒内实现邦加球的全覆盖。

•

作为偏振分析仪，该设备提供真正的高速功能：采样率高达1M samples/s，以及高达250 kHz模拟带宽。

•

结合光子应用软件套件 (PAS)，作为快速切换偏振控制器，用于单次波长扫描中IL/PDL等参数测量系统。

 

指标	N7786C
波长范围	1240nm - 1650nm
SOP 循环时间	< 10 µs
剩余SOP错误，在输入SOP改变情况下	< 5.5°(典型值) @10 rad/s
SOP设置时间	< 50 ms(典型值)
SOP测量不确定度	< 1.5°(典型值)
DOP测量不确定度	± 1.5%(典型值)
插入损耗	< 4.0 dB(典型值) < 3.5 dB @1550nm
输入功率范围	–38 dBm - +19 dBm
最大安全输入功率范围	+20 dBm

 

 

N7788C光学器件分析仪
 

Keysight N7788C光学器件分析仪内部集成偏振控制和分析功能于一体，可在实验室环境中灵活使用。

N7788C特别适用于与可调谐激光源(TLS)配合使用，以评估光学元器件对信号偏振状态(SOP)的影响。此测量方法采用独特的单次波长扫描偏振相关技术，在传统的琼斯矩阵特征分析法(JME)基础上进行了改进，能够计算包括偏振模色散(PMD)、差分群延迟(DGD)以及偏振相关损耗(PDL)在内的关键参数。

该设备主要用于表征以下器件参数：

•

光纤表征：SMF、PMF、DCF

•

无源器件测量：滤波器、隔离器、环回器

•

动态器件/模组测试：WSS

•

有源器件测试：EDFAs、SOAs、VOAs

•

链路测试：跨放大器的通道内测量

 

指标	N7788C
波长范围	1240nm - 1650nm
SOP 循环时间	< 10 µs
DGD测量范围	0 ps - 1000 ps
DGD测量不确定度	50 fs ± 0.6% of measured DGD(典型值)
PMD测量范围	0 ps - 300 ps
PMD错误	25 fs ± 2.0% of measured PMD(典型值)
SOP测量不确定度	<1.5°(典型值)
DOP测量不确定度	± 1.5%(典型值)
插入损耗	< 4.5 dB(典型值) < 4.0 dB @1550nm
输入功率范围	–50 dBm - +7 dBm
最大安全输入功率范围	+12 dBm，偏振计输入 +15 dBm，扰偏器输入

 

 

• 是德科技偏振系列仪表相关解决方案

无源硅光芯片/器件波长扫描测试方案

光无源器件的发展已经相当成熟，涵盖了多种产品类型，如光分路器、波分复用/解复用器和光滤波器等，应用范围广泛。对于这些器件的测试参数，国际标准规范早有定义，并且市场上也提供了全面的参数测试解决方案。然而，当前面临的主要挑战在于如何高效地在光芯片层面上进行测试。光芯片测试过程中常见的问题包括耦合效率低、耦合损耗大以及测试方案自动化程度不高，这些问题成为了业界普遍关注的重点。

针对技术相对成熟的无源光芯片测试，主要的测试需求集中在插入损耗(IL)、偏振相关损耗(PDL)和回波损耗(RL)的测量上。为此，我们推荐一套高效的测试方案，该方案由高性能高分辨率可调光源（N7776C）、8通道光功率计（N7745C）、回波损耗模块（N7753C）以及偏振控制器（N7786C）组成。结合自动光探针耦合对准系统及相关的测试软件N770010xC，此方案能够支持各种多端口无源光芯片（包括CWDM/DWDM光复用器/解复用器、PLC光分路器、阵列波导AWG芯片等）在Wafer级别上的测试。

该测试方案采用单次波长扫描的六态穆勒矩阵方法，以精确测量偏振相关损耗(PDL)随波长的变化。N7786C偏振合成器集成了偏振控制器和偏振分析仪的功能，能够快速且准确地设置特定的偏振状态。其卓越性能使得在几百微秒内即可完成六个偏振态的切换，从而实现偏振相关参数的高速测试。这种快速切换能力不仅提高了测试效率，还有效避免了由于外部环境变化（如温度波动、光纤移动等）导致的偏振态不稳定性，进而增强了测试结果的精度与重复性。

 

图1 光无源测试方案

 

对于光电器件的直流响应波长测试，可以采用类似的测试方案，唯一的不同在于这类器件输出的是电信号，因此需要使用源表（SMU）来进行信号的测量。针对这一需求，可以选择B2900系列台式设备，或者PXIe多通道源表如M9601A、M9614A及M9615A系列，以满足各种场景下的测试要求。采用该方案可以对被测件的IL/PDL/PER/响应度/CMRR等参数进行表征，其测试框图如下所示：

图2 光电器件直流特性测试方案

 

在某些应用中，若光器件的差分群延迟(DGD)和偏振模色散(PMD)过大，可能会显著影响传输信号的质量，例如导致波形畸变或眼图闭合等问题。因此，在对器件进行插入损耗(IL)和偏振相关损耗(PDL)等参数测试的同时，还需要评估其DGD和PMD参数。针对这一需求，推荐采用一套综合测试方案，包括使用可调谐激光源(N7776C)、偏振分析仪(N7788C)，并与PAS光应用套件软件(N7700103C)配合，通过波长扫描技术来精确测量DGD和PMD参数。此外，该方案同样适用于IL和PDL参数的测试，为用户提供全面的器件性能评估。其测试方案如下所示：

图3 光器件DGD/PMD测试方案

 

 

集成相干接收机ICR交流特性测试（拍频法）
 

在ICR（集成相干接收机）的交流特性拍频法测试中，采用外部双通道扫描式可调谐激光源来产生两路具有波长差异的激光。这两路激光在ICR中相遇时，会生成相应的拍频信号。此拍频信号表现为包含不同频率成分的正弦波信号，通过分析这些信号可以精确评估ICR的交流特性。其测试框图如下：
 

图4 ICR交流特性测试方案

 

在该测试方案中，利用N7786C偏振合成器可以实现对进入ICR（集成相干接收机）后的光信号进行偏振对准补偿。这一步骤确保了X和Y偏振面上的幅度一致性得到校准，从而优化了后续测量的准确性。具体来说，通过使用信号光与本地振荡器（LO）光产生拍频信号，并让这些信号通过ICR内部的不同通道，在经过平衡接收的跨阻放大器（TIA）输出之后，再利用M8296A高带宽ADC电路对不同拍频正弦波的幅度和相位差进行精确测量。基于这些测量数据，不仅可以评估各个电通道的幅频特性（如带宽）和相频特性，还能测试出ICR各个平衡接收通道的误差向量幅度（EVM）等关键参数。