在上一期，我们介绍了光纤通讯中关键被动元件相关的工作原理及架构，但为了深入了解元件的特性、制程改进及出规格报告，我们必须量测某些参数，进而对元件作特性的分析，以利品质的验证，接下来，我们针对这些元件的量测参数作进一步的定义。

详细量测参数定义

以较高阶的分波多工器为例，解释各种常见参数的定义，其中某些参数会因不同规范而有些许不同，但其原理是相近的，而常用横轴为波长、纵轴为能量座标的波形来表示，而一个完整的分析图中，同一个座标中就应包含插入、反射及偏极化损失，(图一)是多通道滤波器在光谱分析仪中所显现的示意图，其目的是要使某些波段的光源能依照需要通过或阻绝，通过的波段范围称为带通波段（Pass Band），阻绝或截止的部分我们称为阻绝波段（Stop Band），在量测上不外乎能量与波长是否满足ITU（International Telecommunication Union）的规范或客户自订的标准。而对于失真部分的分析，相对较复杂，所用到的测试设备也相对较昂贵，一般无法利用在生产线上作自动化，但在研发及除错阶段却是必备的，而在波长－时间的座标上就包含色散、偏极化模态失真，本文也会一并介绍相关量测原理。

《图一 分波多任务器量测参数示意图，其中横轴为波长，纵轴为能量》

我们先以单一通道的滤波器为基础作介绍，首先需要知道其中心波长为多少，一般定义是找到波形的峰值能量（Peak power）下降0.5或3dB的点找到右侧点与左侧点的值，两者相加除以二即可得到中心波长值（Center Wavelength；CW），如(图二)所示。若为DWDM的系统中，则要精确的知道ITU的通道与中心波长差异值为多少nm，另外也同时会量测ITU通道上以及峰值（Peak）能量的插入损失值为若干dB。因为在主动元件端也会遵守ITU的规范，因此若中心波长的飘移就会造成能量的耗损，而这三者未必都在同一个波长上，因此插入损失的测量值上要做精确的标示，如(图三)所示。

《图二 一般中心波长的定义》

《图三 同一波形在不同的中心波长定义模式下其值相对不同》

接下来是对波宽作一定义，它主要是以中心波长（或参考波长及能量值）往下降若干dB后得到左右两侧的点，从两者的横轴中差值得到波宽，如(图四)所示，表示方式为若干dB BW（Bandwidth），一般常用0.5dB、1dB、3dB、20dB、30dB及40dB的点来表示，其中前三者为带通波段的波宽值，而后三者为阻绝波段的波宽值，在带通波段上，我们希望在相邻通道中能够宽到某一标准，以DWDM、100GHz通道间距的系统为例，各通道间距离为0.8nm，这时会希望0.5dB的波宽中能有某个程度上的宽度，也就是不要让波形显得太尖锐。举例来说，主动元件上的雷射载上10Gbps的数位编码调变信号（如ASK、FSK Amplitude, Frequency Shift Keying），这时展开在光谱中的波形就有旁波带（Side Band）的情形，以简单的sinx/x的10GHz方波来估计​​，两边加总后的旁波带至少就会达到20GHz，换算成波长就是0.16nm，加上雷射本身或调变模组（Modulator）产生的频扰（Chirp）效应使雷射中心波长飘移，假设为0.01nm，这时就会有0.16＋0.01＝0.17nm的误差值，这表示若中心频宽的宽度过小，旁波带的插入损失过大，在通信品质上就会产生失真的现象，因此，若用在40Gbps的调变系统上难度则更高。另外，在阻绝通道方面，主要是考量本通道信号对其他相邻通道影响的程度，对相邻通道影响程度愈低愈佳，因此在阻绝通道波宽愈接近带通波宽大小，表示隔离度愈好，这里必须提醒的是，波宽会随中心波长来作定义，因此当参考的中心波长不同时其相对应的宽度也会有所不同，至于详细规格方面将依使用者及产业而定。

《图四 若干dB波宽定义的示意图》

《图五 在带通波段上涟波定义的示意图》

《图五 在带通波段上涟波定义的示意图》

接着是对多通道下的多工模组参数来定义串音（Cross Talk）参数，所谓的串音，就是干扰其他通道信号的程度，以三个工作通道（λn、λm、λr）为例说明，如(图六)，λn为主要工作波段，λm为紧邻通道，而λr则为非紧邻通道，因此串音又分为相邻通道（Adjacent Channel）及非相邻通道（Non-adjacent Channel）两种，前者定义是在λn通道内的波宽中找出一个插入损失大小Y1，当此滤波器波形延伸到相邻通道λm时，再找出λm工作波段中最小的插入损失Y2，而Y1、Y2的差值即为串音，单位以dB来表示。至于后者的算法与前者相似，亦即λn通道中最大插入损失与同一波形在λr通道的最小插入损失之差，亦即Y1-Y3。此外，在高阶滤波器如阵列波导中，波形会因极化状态不同而会有（见后说明），在较严格的定义中，会找出所有偏极状态下的波形来定义串音，从而估计出通讯系统中最差的状态。

此外，在多个通道下会分析全部波形的插入损失一致性（Loss Uniformity），例如使用薄膜滤片的多工器中，波长的分工是藉由不同的滤片经过一连串的穿透及反射来做选择，因此每个通道在工作波段中的插入损失值并不相同，这会影响主动元件接收端灵敏度（Sensitivity）的问题，而一致性就是估计各通道插入损失的差异性，其定义为模组中各波形在各个工作波段下，最大与最小插入损失的峰对峰值之差，单位以dB做表示。

而对于反射参数方面，大部分是定义出该工作波段的最小反射损失值（反射损失值愈大代表愈不易反射），用以估计当最插情况下光送出后会有多少能量反射回来。

《图六 多任务器中串音的定义，纵坐标为插入损失，横坐标为相对应波长》

了解穿透、反射方面的参数后，接着考虑极化状态造成能量的不稳定性。在实际的通讯系统中，雷射光源会随着光纤弯曲或温度变化而造成极化模态的改变，加上被动元件的双折射现象会使不同极化状态下的插入损失值不同，造成在接收端就会有能量的不确定性，并且这与波长是相关的，(图七)左是表示在单一波长中，在不同时间下仅改变偏极状态所量测到光能量的变化，其中峰对峰值就是所谓的偏极化损失。因此，若考虑到偏极化的影响，在做波形的扫描时，通道的波宽大小就会因偏极状态不同而有差异，称为PDBW（Polarization Dependent Bandwidth），另外，偏极状态也有可能改变通道的中心波长，称为PDC（Polarization Dependence of the Center wavelength），在10Gbps以上的高速通讯中，这样的影响是相当大的，因偏极化就是插入损失的不确定因子，因此在较严谨的定义中，都应将此一因素考虑进去，而(图八)则是加入偏极化造成的串音值。

《图七 因入射光源波长/极化状态不同而造成波形的改变》

《图八 加上偏极化影响所得到的串音值》

(表一)为单一及多通道下相关的量测参数，(图九)为一对四的解多工器波形示意图。

《图九 多任务器量测波形及各参数示意图》

搭配仪器作量测自动化

以较单纯的能量-波长架构来作分析，有两大类的仪器搭配量测建议方案，第一种是以光谱仪为主的架构，第二种是以可调式雷射光源为主的系统，主要探讨的量测参数为插入、反射及偏极化损失三种，两者组合下各有其优缺点，分别叙述如下：

宽波光源（BBS）＋极化光源扫描器（PS）＋光谱仪（OSA）

一般能量分波耦合器，可以使用固定的雷射光源测试其单波长穿透及反射损失，但对于滤波器而言，要看到整个波形，才能分析出在工作波段上的特性。首先，必须要有涵盖整个滤波器操作波长范围的光源，一般为宽波光源（Board Band Source；BBS），其中有边射型发光二极体（Edge Emitted Light Emitting Diode；EELED）以及掺铒光纤放大器的自发性放大光源（Amplifier Spontaneous Emission；ASE）两种选择，前者的好处是光源的工作波段选择较多，使用者可以搭配两种以上的二极体耦合共用，但缺点是二极体的能量较小，约为-20～-30dBm左右。

而另一种选择就是ASE光源，因为它是掺铒光纤的工作波长，因此波段约为1550nm，最大能量可以到20dBm左右，但缺点是仅有1550nm附近的波长，在S-band及L-band的波段就要找其他的光源替代。若要测量极化效应，就需要极化扫描器（Polarization Scrambling；PS）来达成，简单来说，它就是由四个λ/4光纤环所组成，若能控制光纤环作垂直方向的转动，依四个光纤环不同的角度就可以提供不同的极化状态，因极化扫描器需要入射光源为极化光，因此会在光源发射端加上一线性极化片（Linear Polarizer）使入射光源成为极化光，再来就是接上光谱仪（Optical Spectrum Analyzer；OSA），来作整个波形的分析。

(图十)为多通道系统架构图，若要量测插入损失，则需要不接待测物先做一次参考值后再量测待测物，而两者的对数相减值就是待测物的插入损失，若要量测PDL及相关参数，就需要启动极化光源扫描器，经一段时间让所有极化态出现后，在光谱仪上纪录最大最小值后即可得PDL对应波长的参数，但需注意光谱仪是采用光栅架构的仪器，因此对极化光源较敏感，相对量测PDL也较不精确。

(图十一)为反射损失测试架构简图，量测法是第一次先以已知的参考光纤作为标准纪录入射光源波形，第二次则取下标准光纤接上待测物并加上终极端（Termination），而两次波形的对数相减值，就是欲测的反射损失。在多通道量测上，可使用多台光谱仪同时量测，或用光切换器搭配使用，一般考量到量测成本而会使用光切换器而各个通道分开量测，使用光谱仪架构优点是速度快、量测波长范围大及价格较便宜，且可用于量测主动元件，适合通道数较少元件及即时监控用途，但相对波长、能量精确度较差，且不适用未来扩充失真参数的量测。

《图十 配合光切换系统搭配量测多信道插入及偏极化损失的测试架构》

《图十一 单信道反射损失量测架构图》

可调式雷射（TLS）＋极化控制器（PC）＋光功率计（PM）

此种系统的架构对于穿透及反射波形量测原理及架构方面，与宽波光源搭配光谱仪类似，光源端部分改采可调式雷射光（Tunable Laser Source；TLS），接收端换成光功率（ Power Meter；PM），如图(十二)所示，其差别在于偏极化参数的量测方面，建议搭配运算Muller矩阵的极化控制器（Polarization Controller；PC）。

其原理是以参考光纤先纪录四个极化状态的波形后，再接上待测物做同样四个极化状态的波形，经由数学矩阵的换算后得到雷射光源扫描波长下的PDL值（这代表必须扫描4次参考源＋4次待测物＝8次才能得到PDL值，但这种方式好处是最后可以得到所有波长下精确的偏极化损失）。

此种架构下，因可调式雷射光源波长精确度较精准，适合作高精度验证及最后测试，此外，对多通道模组的被动元件架构上，量测速度反而会较光谱仪为快，因为光功率计并无波长选择性，内部并无如光谱仪有昂贵的绕射光栅及窄波滤波器，因此只要控制雷射光源与光功率计同步，就可以提供多通道的量测，例如接上1对4的分波/合波多工器，吾人只需搭配四个光功率计就可以在一次扫描中同时得到四个通道的波形，如此一来，反而比光谱仪切换通道使用的方式来的更精准且有效率。

《图十二 可调式雷射光源在多信道量测上有扩充性的优点》

《图十三搭配可调式雷射搭配功率计量测薄膜滤片的系统架构示意图》

以应用层次来说，最常见的是薄膜滤片元件或整合模组的量测，(图十三)是搭配可调雷射系统量测的架构图，因滤波片在不同倾斜角度下的波形特性会不相同，因此搭配一个光功率计于反射端，用以监测入射光是否垂直于滤波器表面，这个架构下可以同时量测插入、反射及偏极化损失。而(图十四)为笔者针对Agilent 8164B可调式雷射光系统及两个光功率计模组，在Agilent VEE自动控制平台上发展的控制程式介面，同时得到两通道的插入及反射损失波形。在未来因应更高资料传输速度上，失真情形的考量将愈显重要，因此在测试平台选择上，应考量其扩充性，并朝向整合所有量测参数于一台分析仪中，亦即同时提供IL、RL、PDL、CD、PMD的量测，并可配合电脑作自动化控制及连结资料库作分析。

《图十四 同时量测滤波器模块两信道的波形〈注：待测物为UCONN CWDM 2-Channels模块，扫描40nm范围的波段所需时间约1.9秒，取样点为10001点，动态范围可达到65dB〉》

色散、偏极化模态失真量测原理

相对能量在不同波长下的损失行为，失真则是考虑电磁波在相位上的变化，同一空间中，当不同的波长或频率的电磁波通过某一段介质后，产生的相位速度（Phase Velocity）不一致会使群速度（Group Velocity）与相位速度不同，而会产生波包（Envelope）的行为，若将相位对频率微分，就可以得到平均的失真情形，亦即群速度延迟（Group Delay），应用在光学上，就是介质为波长的函数，所造成的色散现象，更进一步分析，电磁波在电场行进方向上可以分成TE、TM两种正交模态，理想上，这两模态传递速度是一致的，但实际上却不相同，而这两个模态的变异性就称为（Differential Group Delay；DGD），因与极化行为有密切关系，又称为偏极化模态失真（Polarization Mode Dispersion；PMD）。

《图十五 色散与偏极化模态失真示意图，图中横坐标为频率，纵坐标为相位》

在色散参数的量测方面，有采用微波工程常用的网路分析仪（Network Analyzer）搭配光学调变器作相位位移的侦测，经过光电的转换，得到群速度延迟参数，如(图十六)所示，或是使用干涉的方式量测参考源与经过待测物后的波包行为。

《图十六 色散量测法量测仪器架构示意图》

在图十六中，网路分析仪内的讯号产生器产生一个电磁连续波（Continuous Wave；CW）到电光转换的光学调变器（Modulator）上，当可调式雷射光输入固定波长的光到调变器时，会因为折射率的快速变化，进而使调变器内部两路光产生建设性及破坏性干涉而形成调变的讯号，而调变产生后的光讯号就输入到待测元件端，经过光接收器将调变光讯号解调成原来的微波讯号送回网路分析仪，即图中的A埠，而网路分析仪内部在送微波讯号时，会有一个R埠侦测实际送讯号的波形（注意A及R为向量，皆具有振幅及相位部分），则从A与R相位部分的比值，就可以得到相位差，另外从入射微波中得到调变的频率，就可以算出相对性群速度延迟参数。

对于偏极化模态失真量测，有使用Jones矩阵的方式或干涉的方式得到，前者是经过两个光纤环将偏极状态调成右旋圆偏极的状态，之后使用0、45度、 90度的线性偏极片，将元件的Jones本征矩阵算出来，当雷射光源改变波长时，就会换算出另一个矩阵，这时就可以从两个矩阵中算出DGD，当波长一直改变， DGD就会从两个本征矩阵中得到，这时再经过电脑的统计，就可以在(图十七)右下方算出PMD分布图。

《图十七 使用JME法量测PMD架构示意图》

在图十七中，使用JME法量测PMD架构示意图，首先使用不同波长的光源入射待测物，产生不同的本征矩阵M1M2...，再由两个不同波长之间的矩阵推导出代表元件极化状态的本征极化态（Principle State of Polarization；PSP），在做一次微分后得到从M1到达M 2的群速延迟DGD，将DGD透过统计的处理，对应是否符合Maxwell's分布模型，若标准差值过大则必须增加取样点，若标准差值不大则在产线时可减少取样点数来增加产能，而平均值就是我们要求的PMD。

(图十八)为两个典型的量测范例，左方为双折射晶体的GD及DGD示意图，图中群速度波形上升及下降愈陡峭，则对应的DGD值就会愈大，而在DGD最低值时，就是在TE、TM模态下的群速度是接近一致的，同理，右方的100GHz通道滤波片也有相同的现象。

《图十八 GD、DGD量测范例》

结论

目前光被动元件的景气不如2000年时来得好，但为了因应未来发展的需要，技术上需要更加成熟且须控制成本使价格上更具竞争力，而某些关键的因素是不能作牺牲的，例如人才、制程及量测设备等。举例来说，若添购了一个堪用的量测仪器，可能在目前出货上没有问题，但因应未来日益复杂且严谨的规格上，则很容易被其他的厂商所取代，因此在考虑设备价钱的同时，并应对仪器设备的搭配、速度及产能、扩充性及是否符合目前及未来的需要，并考虑设备厂商的技术提供能力及后续的服务方面作一综合性的评估。

（作者为台湾安捷伦科技技术顾问）

〈参考书籍︰

State of Art characterization of Optical components for DWDM Applications, 2000, Application Notes ,Agilent Tech.

Dennis Derickson, Fiber Optic Test and Measurement, 2000, Agilent Tech.

Andreas Othonos, Fiber Bragg Gratings, 1999, Artech House, Inc.

Agilent raptor 81910A Photonic All-parameter Analyzer, 2002, Application Notes, Agilent Tech.

http://www.agilent.com/cm/opticalgrp.shtml

Gunnar Stoze, Photonic Foundation Library: Enhancing Swept Loss Measurements, 2001, Application Notes ,Agilent Tech.

HTTP://呜呜呜.见到苏.com〉