光電器件是光通信系統(tǒng)的核心部分，同時在整個光傳輸系統(tǒng)里也占據(jù)非常重要的地位，高速及超高速光電器件相關(guān)技術(shù)也是光通信領(lǐng)域中最具有前瞻性和先導(dǎo)性的領(lǐng)域。作為光通信產(chǎn)業(yè)的核心一環(huán)，基礎(chǔ)芯片和器件的發(fā)展，關(guān)系到中國光通信產(chǎn)業(yè)的整體競爭力，也已成為目前中國光通信長足發(fā)展的關(guān)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(shù)據(jù)傳輸速率成倍增長，光波傳輸系統(tǒng)變得越來越先進(jìn)，器件設(shè)計人員和制造商必須最大限度地提高其產(chǎn)品的性能才能夠滿足日益增長的需求。
數(shù)字光通信系統(tǒng)的性能最終是通過比特誤碼率(Bit Error Ratio Test (BERT))來檢驗(yàn)，但光電元器件(如調(diào)制器、PIN-TIA接收機(jī)和檢波器)的模擬特性，對整個傳輸系統(tǒng)的性能也起著決定性的作用。只有在調(diào)制信號帶寬上，準(zhǔn)確地設(shè)計這些電光器件，才能保證信號在整個系統(tǒng)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(tǒng)、光載無線電和航空航天與國防等應(yīng)用中的所有相關(guān)光電元器件S參數(shù)(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(diào)制器以及調(diào)制激光源的電光S21響應(yīng)度。
根據(jù)這一測量結(jié)果，可以確定絕對響應(yīng)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(shù)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(shù)來衡量光模塊中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的特性。
這種測試時所用的信號是NRZ或者PAM4調(diào)制的數(shù)字信號，碼型是PRBS偽隨機(jī)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(jīng)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(tǒng)性能，很難用誤碼率來衡量組成系統(tǒng)的各個器件的性能。因此，高速光電元器件分析儀應(yīng)用到光電器件的分析中來，用于表征器件的性能。
圖2.1NRZ(“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2.2PAM4
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(shè)計更復(fù)雜，成本更高
圖3數(shù)字信號頻譜分布
數(shù)字信號的頻譜，無論是NRZ還是PAM4調(diào)制，或是PRBS的任意編碼形式，其頻譜都呈sinc函數(shù)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(jìn)行解析的。
而測試眼圖或者誤碼率就是在時域上評判系統(tǒng)的優(yōu)劣，如果眼圖和誤碼率都能滿足指標(biāo)要求，那說明系統(tǒng)的功能是優(yōu)異的，該系統(tǒng)可以無失真的傳輸信號，而反之，如果測試發(fā)現(xiàn)眼圖或是誤碼率都不能滿足指標(biāo)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(tǒng)的器件的性能出現(xiàn)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(dāng)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(yīng)。
如圖3所示的時域信號，轉(zhuǎn)換到頻域上我們可以看到，是一個sinc函數(shù)的包絡(luò)，該頻譜的主要頻譜能量都分布在sinc函數(shù)的第一過零點(diǎn)以內(nèi)，第一過零點(diǎn)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(dāng)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?zhèn)鬏敶髱捫盘柕臈l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(dú)立的，他們是有一定關(guān)系的。
時域測試時，在整個測試鏈路中傳輸?shù)男盘柺菙?shù)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(dú)的頻率分量，每一時刻都測量一個單獨(dú)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(yīng)。
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(guān)之后才會進(jìn)行封裝，封裝后還要進(jìn)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(chǎn)，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(jīng)歷的測試，在光模塊出廠之前，需要分別經(jīng)歷晶元的生產(chǎn)，電路集成，晶元測試，切割，校準(zhǔn)，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(jìn)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(diào)制器，激光器，或相干通信中的Mach-Zehnder調(diào)制器和ICR接收機(jī)。光電元器件分析儀都能將其器件性能準(zhǔn)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(shù)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(jìn)入被測器件的信號和經(jīng)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(zhuǎn)換效率。
反射特性同理，對比進(jìn)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(shù)”，利用光電測量擴(kuò)展座，搭配上海普尚電子(Prosund）SP800B/SP800P/SP800S等系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀協(xié)同工作，具備電-光、光-電和光-光3種元器件頻譜響應(yīng)參數(shù)的測量功能。
測量器件的傳輸特性：
精確的電（電信號發(fā)生器）或光（激光器）源用于激勵被測組件后，由經(jīng)過校準(zhǔn)的光或電接收機(jī)來測量經(jīng)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(dá)被測器件之后反射回來的信號進(jìn)行測量。
由于傳輸性能和反射性能需要在不同頻率下進(jìn)行表征，因此調(diào)制頻率通常會掃過目標(biāo)帶寬。微波網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置信號源以及接收機(jī)，信號源負(fù)責(zé)輸出電信號，接收機(jī)負(fù)責(zé)測量由被測器件輸入的電信號，所以圖中微波網(wǎng)絡(luò)分析儀負(fù)責(zé)發(fā)射或接收電信號。
早在上世紀(jì)80年代，光通信剛剛興起的時候，美國、英國和日本等發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)進(jìn)行了相干光通信的理論研究和實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行了1.3μm和1.55μm波長的1.7Gbps FSK現(xiàn)場無中繼相干傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸距離達(dá)到35公里。
后來，進(jìn)入90年代，專家們發(fā)現(xiàn)，日益成熟的EDFA（摻鉺光纖放大器）和WDM（波分復(fù)用）技術(shù)，可以更簡單、更有效地解決了光通信的中繼傳輸和擴(kuò)容問題。
于是，相干光通信的技術(shù)研究，就被冷落了。到了2008年左右，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)，通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量迅猛增長，骨干網(wǎng)面臨的壓力陡增。
此時，EDFA和WDM技術(shù)的潛力已經(jīng)越來越小。光通信廠商們，迫切需要找到新的技術(shù)突破點(diǎn)，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(fā)現(xiàn)，隨著數(shù)字信號處理（DSP）、光器件制造等技術(shù)的成熟，基于這些技術(shù)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(shù)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(fā)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(shí)現(xiàn)相干調(diào)制和解調(diào)功能。相干收發(fā)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(dāng)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(shù)，當(dāng)前尚未產(chǎn)品化，有望在128GBd時代廣泛應(yīng)用。
表1相干光器件特性
密集波分復(fù)用技術(shù)已進(jìn)入單波400G相干通信傳輸時代。單波400G有多種調(diào)制格式，如64GBd-PM-16QAM、96GBd-PM-16QAM-PS、128GBd-PM-QPSK，調(diào)制格式階數(shù)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(fā)器件。相干收發(fā)器件按信號波特率可分為64GBd、96GBd和128GBd幾種。64GBd相干光器件實(shí)現(xiàn)單波400G短距傳輸（PM-16QAM），128GBd相干光器件實(shí)現(xiàn)單波400G長距傳輸（PM-QPSK）。而相對于傳統(tǒng)的光通信，相干光通信有著更高的調(diào)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(shí)現(xiàn)ICR在片測試
③可同時得到幅度和相位響應(yīng)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(jìn)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(diào)節(jié)其中一路激光源的波長，可以產(chǎn)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(qiáng)度，得到被測件的頻率響應(yīng)，并確定工作帶寬
普尚SP800系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀擁有以下高測量性能：
①可內(nèi)置雙光源，C波段波長步進(jìn)可調(diào)，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(yīng)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
