Характеризация пассивных оптических компонентов: методы измерений и готовые решения

Характеризация пассивных оптических компонентов — обязательный этап при разработке, производстве и эксплуатации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). В ВОЛС применяется широкий набор пассивных элементов: WDM-фильтры, реконфигурируемые мультиплексоры ввода-вывода (ROADM), оптические переключатели, разветвители, интерферометры Фабри — Перо. Для их тестирования используют три основных метода — измерение с помощью анализатора оптического спектра (OSA) и широкополосного источника, пошаговое и непрерывное сканирование перестраиваемым лазером.

Качественное тестирование и измерение параметров этих компонентов необходимо на каждом этапе. Какой именно метод контроля характеристик выбрать — зависит от того, какие параметры нужно контролировать, в каком спектральном диапазоне работает компонент и какие требования предъявляются к скорости, точности и спектральному разрешению.

В этом решении мы рассмотрим основные свойства и параметры двух классов пассивных компонентов — фильтров и широкополосных элементов, разберём три метода оптических измерений пассивных элементов и предложим конкретные приборные решения.

Измерения IL, RL, PDL

Подавляющее большинство параметров оптических компонентов сводятся к трём базовым измеряемым величинам, представленных в Таблице 1:

Параметр		Обозначение	Что характеризует
Вносимые потери		IL (Insertion Loss)	Потери оптической мощности при прохождении через компонент
Обратный потери		RL (Return Loss)	Какая доля мощности отражается обратно к источнику
Поляризационно-зависимые потери		PDL (Polarization Dependent Loss)	Насколько сильно вносимые потери зависят от состояния поляризации входного излучения

Вносимые потери выражаются в оптических децибелах:

IL_dB = 10 · log₁₀(P_out / P_in)

Обратные потери:

RL_dB = −10 · log₁₀(P_refl / P_in)

PDL определяется как разница между максимальным и минимальным пропусканием при переборе всех возможных поляризаций:

PDL_dB = 10 · log₁₀(T_max / T_min)

Все три величины могут быть измерены как на фиксированной длине волны, так и в виде спектральной зависимости. Однако стоит уточнить, что на практике результат сильно зависит от чистоты торцов коннекторов, стабильности температуры и выбора опорного уровня.

Рисунок 1. Схематическое представление измеряемых параметров.

Слева: передаточная функция TF (вносимые потери) как функция длины волны λ: характерный профиль пропускания фильтра с выраженным максимумом;

В центре: измерение PDL на фиксированной длине волны методом перебора состояний поляризации: пунктирные линии показывают максимальный и минимальный уровни пропускания, разница между ними и есть PDL;

Справа: спектральная зависимость PDL(λ): видно, что поляризационная чувствительность компонента неравномерна по спектру и, как правило, возрастает на краях полосы пропускания.

Методика опорного измерения

Измерения IL и RL выполняются в два шага — это позволяет исключить из результата влияние других элементов системы, кроме самого тестируемого устройства (DUT – Device under test).

Шаг 1. Опорное измерение — проводится без DUT. Разъёмы A и B соединяются между собой оптическим волокном.

Шаг 2. Измерение с DUT — между адаптерами A и B устанавливается компонент.

Рисунок 2. Методика измерения вносимых потерь.

Измерение с DUT:

Измерение с DUT_dB = 10·log₁₀(P_дет1 / P_дет2) = 10·log₁₀((TF₁ · TF_A · TF_DUT · TF_B) / TF₂),

где TF₁ и TF₂ — передаточные функции двух плеч разветвителя, TF_A и TF_B — передаточные функции адаптеров, TF_DUT — искомое значение.

Из формулы видно, что помимо передаточной функции DUT в выражение входят переменные разветвителя и адаптеров. Именно для устранения их влияния нужно опорное измерение.

На первом шаге (без DUT):

Опорное измерение_dB = 10·log₁₀(P_дет1 / P_дет2) = 10·log₁₀((TF₁ · TF_A · TF_fiber · TF_B) / TF₂),

где TF_fiber — передаточная функция соединительного волокна.

Вычитая одно из другого, получаем передаточную функцию DUT:

IL_DUT = Измерение с DUT_dB − Опорное измерение_dB = 10·log₁₀(TF_DUT / TF_fiber)

Влияние разветвителя и адаптеров полностью исключается. Стоит отметить, что опорное измерение полезно даже с откалиброванным разветвителем — его характеристики могут медленно изменяться, например, из-за температуры. Детектор мониторинга отслеживает флуктуации мощности лазера и компенсирует их в реальном времени.

Определять опорный спектр перед каждым измерением не обязательно — достаточно обновлять его раз в день или при любом изменении схемы. Для PDL-измерений методом перебора всех состояний поляризации опорное измерение в ряде случаев не требуется, поскольку используются относительные вариации мощности. На практике неоднократно фиксировались ситуации, когда опорный спектр, полученный днем ранее, давал систематическую ошибку. Как выстроить процедуру калибровки, минимизирующую эту погрешность, — подробно описано в рекомендациях по применению наших приборов; свяжитесь с инженерами для получения консультации.

Пассивные компоненты

Компонента фильтрового типа

К фильтровым компонентам относятся CWDM- и DWDM-мультиплексоры и демультиплексоры, одно- и двухполосные фильтры. Все они имеют несколько каналов, для каждого из которых необходимо измерить следующие характеристики:

• Пиковая длина волны (λ_peak​) и вносимые потери на ней;
• Смещение пиковой длины волны относительно сетки ITU;
• Ширина полосы пропускания;
• Изоляция от соседнего и несоседнего каналов;
• Равномерность полосы и пульсации;
• PDL;
• Крутизна спада.

На рисунке ниже приведён конкретный пример — результат характеризации канала 57 демультиплексора DWDM с сеткой 100 ГГц.

Рисунок 3. Характеризация канала 57 демультиплексора DWDM 100 ГГц.		λpeak		1531,865 нм
		IL@ λpeak		-2,91 дБ
		Смещение λ		-2,91 дБ
		IL@ λgrid		-2,97 дБ
		Ширина полосы пропускания@ -1 дБ		0,226 нм
		Ширина полосы пропускания@ -3 дБ		0,226 нм
		Ширина полосы пропускания@ -20 дБ		1,002 нм
		Изоляция от соседнего канала	Мин	26,54 дБ
			Макс	26,91 дБ
		Изоляция от несоседнего канала	Мин	34,65 дБ
			Макс	36,76 дБ

Смещение пика относительно сетки ITU составляет всего −0,033 нм, а разница между IL на пике и IL на номинальной длине волны сетки — менее 0,1 дБ. Ширина полосы на уровне −20 дБ примерно в 2,5 раза больше, чем на уровне −3 дБ, что характеризует крутизну спада фильтра.

Широкополосные компоненты

К этой категории относятся компоненты с малым перепадом передаточной функции по спектру — разветвители, оптические переключатели, аттенюаторы. Они, как правило, работают в очень широком диапазоне длин волн —от O-диапазона (1260 нм) до L-диапазона (1625 нм). Ключевые параметры:

• IL и равномерность IL по спектру.
• Пульсации передаточной функции.
• PDL и обратные потери RL.

Далее рассмотрим три подхода к измерению этих параметров, их преимущества и ограничения.

Методы характеризации

Анализатор спектра + широкополосный источник

Суперлюминесцентные диоды (SLED - Superluminescent Light Emitting Diode) и ASE-источники (Amplified Spontaneous Emission) генерируют широкополосное излучение, которое удобно использовать совместно с анализатором оптического спектра (OSA) для измерения вносимых потерь.

Рисунок 4. Схема измерения IL с использованием широкополосного источника и анализатора оптического спектра.

На рисунке ниже показан реальный результат такого измерения для узкополосного фильтра в районе 1550 нм.

Рисунок 5. Характеризация фильтра при помощи широкополосного источника и OSA.

Кривая 1 (красная, левая шкала, дБм) — опорный спектр без DUT. Виден характерный для ASE-источника относительно плоский профиль мощности в диапазоне ~1549–1551 нм на уровне примерно −10 дБм.

Кривая 2 (зелёная, левая шкала, дБм) — спектр после прохождения через DUT. В полосе пропускания фильтра (около 1550,1 нм) мощность практически совпадает с опорной, а вне полосы — падает до уровня шума OSA (−60…−70 дБм).

Кривая 3 (синяя, правая шкала, дБ) — вычисленная передаточная функция (разность кривых 1 и 2). Хорошо виден плоский участок пропускания шириной около 0,5 нм и крутые склоны фильтра.

Динамический диапазон измерения ограничен примерно 55 дБ и определяется спектральной плотностью мощности источника и шумом OSA.

Рисунок 6. Свёртка сигнала с функцией монохроматора.

(A) Фильтр с пологим спадом (спад значительно шире, чем у монохроматора). Результат измерения корректно воспроизводит форму фильтра — искажения минимальны.

(B) Крутизна спада фильтра сопоставима с крутизной спада монохроматора. Измеренный спад оказывается примерно вдвое шире реального — заметная ошибка.

(C) Фильтр с очень крутым спадом (уже, чем у монохроматора). Измеренная форма фильтра полностью определяется монохроматором — реальная крутизна спада утрачена.

Измеренный OSA спектр представляет собой математическую свертку (наложение формы сигнала на аппаратную функцию прибора) реального спектра сигнала с контуром пропускания самого анализатора. Если крутизна спада исследуемого фильтра сопоставима с разрешением OSA, прибор физически не сможет корректно отрисовать профиль компонента.

Данный метод наиболее целесообразно подходит для измерения IL компонентов с одним выходом, невысокими вносимыми потерями и умеренным динамическим диапазоном. Он позволяет быстро получить результат в широком спектральном диапазоне. Несколько широкополосных источников можно скомбинировать для покрытия всего телекоммуникационного окна от O до L-диапазона.

Перестраиваемый лазерный источник

Особенности и влияние спонтанного излучения

Перестраиваемый лазер — одномодовый источник, длина волны которого может перестраиваться в широком диапазоне. Это позволяет достичь высокого спектрального разрешения и делает лазер основным инструментом для прецизионной характеризации компонентов.

Лазеры с внешним резонатором (ECL -  External Cavity Laser) наиболее распространены в измерительных задачах благодаря широкому диапазону перестройки (до 200 нм), высокому разрешению и быстрой перестройке. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB - Distributed Feedback), хотя и дешевле, имеют диапазон перестройки всего ~2 нм и не подходят для спектральных измерений.

Активная среда лазерного диода, помимо основной линии генерации, создает широкополосное излучение низкого уровня. При характеризации фильтровых компонентов часть этого шума попадает в полосу пропускания DUT и регистрируется детектором вместе с полезным сигналом.

На рисунке ниже хорошо видно, как спонтанное излучение ограничивает динамический диапазон измерений.

Рисунок 7. Влияние уровня SSE (Source Spontaneous Emission — спонтанное излучение источника) на результат характеризации.

Пошаговое измерение

Пошаговый метод — наиболее простой и гибкий подход к характеризации: лазер устанавливается на заданную длину волны, выполняются все необходимые измерения, затем перестраивается на следующую точку.

Использование измерителя мощности (а не АОС) на стороне детектора позволяет подключить несколько детекторов к разным выходам DUT и характеризовать несколько каналов одновременно.

Схема измерения IL и RL:

Рисунок 8. Типовая схема для пошагового измерения IL и RL.

Схема измерения PDL (метод перебора всех состояний):

Рисунок 9. Схема пошагового измерения PDL.

Выбор шага перестройки — это всегда компромисс между точностью и временем измерения. Для CWDM-компонентов и широкополосных элементов шаг 100 пм и более обычно достаточен. Для DWDM-компонентов требуется пикометровое разрешение, и при пошаговом подходе измерение может занять часы — каждая точка требует стабилизации лазера и считывания показаний. В таких случаях целесообразнее использовать непрерывное сканирование.

Непрерывное сканирование

При данном измерении лазер непрерывно перестраивается по длине волны, не останавливаясь на каждой точке. Система синхронизации привязывает моменты считывания детекторов к точным значениям длины волны. За счёт этого скорость кардинально возрастает: сканирование 100 нм с пикометровым разрешением занимает несколько секунд вместо часов при пошаговом подходе.

Разрешение, шаг дискретизации и точность привязки к длине волны определяются системой синхронизации — будь она встроенной в лазер или внешней.

Схема непрерывного сканирования PDL:

Рисунок 10. Схема непрерывного PDL-измерения.

В отличие от пошагового метода с поляризационным скремблером, здесь используется детерминированный поляризационный контроллер. Лазер выполняет несколько последовательных сканирований (обычно 4 или 6), каждое — с заданным состоянием поляризации. По результатам рассчитывается матрица Мюллера компонента.

Требования к оборудованию при непрерывных измерениях существенно жёстче:

1. Лазер должен перестраиваться без модовых скачков, иначе возникают разрывы и ошибки в данных.

2. Детектор должен работать с коротким временем интегрирования и обеспечивать буферизацию большого количества точек при высоком динамическом диапазоне.

Сводная таблица методов

Критерий	АОС + широкополосный источник	Лазер — пошаговый	Лазер — непрерывный
Измеряемые параметры	IL	IL, RL, PDL	IL, RL, PDL
Спектральное разрешение	Определяется монохроматором АОС	Определяется шагом перестройки лазера	Пикометровое
Динамический диапазон	Ограничен спектральной плотностью мощности источника	Широкий (при низком SSE)	Широкий
Скорость	Быстро (одно сканирование)	Медленно при мелком шаге	Очень быстро
Количество выходов DUT	1	Масштабируемо (несколько детекторов)	Масштабируемо
Оптимальное применение	Широкополосные компоненты, экспресс-контроль	CWDM, FBG, лабораторные задачи	DWDM, серийное производство

Готовые решения

Анализатор оптического спектра и широкополосный источник

Широкополосный волоконный источник USLD Источники серии USLD — это ASE/SLED-модули с высокой спектральной плотностью мощности ≥ -25 дБм/нм. Несколько модулей могут быть скомбинированы для покрытия диапазона от O-band до L-band, что обеспечивает широкополосное и равномерное облучение DUT.
Анализатор оптического спектра 6362D Анализатор оптического спектра модели 6362D обеспечивает высокое спектральное разрешение до 0,02 нм и встроенные функции автоматического анализа: расчёт IL, ширины полосы, изоляции каналов, пульсаций и других параметров передаточной функции.

Применение: быстрое измерение вносимых потерь широкополосных компонентов (разветвители, сплиттеры, аттенюаторы). Экономичное решение для входного контроля и экспресс-анализа.

Схема применения:

Рисунок 11. Схема измерения IL с использованием широкополосного источника USLD и анализатора оптического спектра 6362D.

Лазер — пошаговое измерение

Для пошаговых измерений с высоким динамическим диапазоном и возможностью контроля IL, RL и PDL:

Перестраиваемый ECL-лазер ZITU Лазеры серии ZITU — компактные источники с внешним резонатором, широким диапазоном перестройки (C - 1528.77 - 1563.86 нм, L - 1570.42 - 1607.47 нм, C+L), низким уровнем спонтанного излучения (SSE), высоким коэффициентом подавления спонтанного излучения SSSER (SSE Suppression Ratio) и быстрой стабилизацией на каждой длине волны. Подходят для характеризации как фильтровых, так и широкополосных компонентов.

Измеритель оптической мощности ZPM817 Измеритель ZPM817 — прецизионный фотоприёмник с волоконным вводом, высокой чувствительностью (-75…5 дБм) и высоким разрешением (0,01 дБ). Несколько измерителей могут быть подключены к разным выходам DUT для одновременного тестирования нескольких каналов.

Применение: характеризация IL, RL и PDL компонентов CWDM, волоконных брэгговских решёток (FBG), перестраиваемых фильтров.

Схема применения:

Рисунок 12. Cхема для пошагового измерения IL и RL.

Лазер — непрерывное сканирование

Для высокоскоростных измерений с пикометровым разрешением — готовая интегрированная платформа:

Оптическая тестовая платформа TLSAT перестраиваемый лазер с непрерывной безмодовой перестройкой; систему оптического триггерирования для точной привязки каждого отсчёта к длине волны с пикометровой точностью; многоканальные высокоскоростные детекторы с буферизацией данных и высоким динамическим диапазоном ≥ 70 дБ; встроенную поддержку измерений IL, RL и PDL. Несколько лазерных модулей могут быть объединены для расширения спектрального диапазона.  Количество каналов детектирования масштабируется под компоненты с большим числом портов.

Применение: производственное тестирование DWDM-мультиплексоров, ROADM и интерливеров, где требуется одновременно высокое разрешение, широкий динамический диапазон и высокая пропускная способность. Сканирование 100 нм с пикометровым разрешением выполняется за несколько секунд.

Заключение

Выбор метода измерения параметров пассивных оптических компонентов определяется конкретной задачей:

Ваша задача	Тестируемые компоненты	Решение	Измеряемые параметры	Скорость
Входной контроль, ≤10 образцов/день	Сплиттеры, аттенюаторы, широкополосные элементы	USLD + 6362D	IL	Минуты
Лабораторная характеризация	FBG, CWDM-фильтры, перестраиваемые фильтры	ZITU + ZPM817	IL, RL, PDL	Десятки минут
Серийное производство, ≥100 образцов/день	DWDM-мультиплексоры, ROADM, интерливеры	TLSAT	IL, RL, PDL	Секунды

Все три решения доступны в линейке оборудования и покрывают задачи от лабораторных исследований до серийного производства.

Технические специалисты нашей компании будут рады ответить на любые вопросы по подбору измерительного оборудования для характеризации пассивных оптических компонентов, а также предоставить коммерческие условия поставки на интересующую Вас продукцию.

Вы можете связаться с нами любым удобным способом для получения дополнительной информации.