一、內(nèi)容簡介
在光通信鏈路中增加聚合帶寬的愿望并沒有減少。多年來，這一增長主要是通過復(fù)用額外的光波長（或其他光學(xué)參數(shù)）或改變調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，但可能不會(huì)增加單載波調(diào)制帶寬。最近，人們還希望增加這些調(diào)制帶寬，這意味著將系統(tǒng)電氣側(cè)的射頻帶寬增加到100+GHz范圍。反過來，這將用于光轉(zhuǎn)換和其他組件的射頻表征工具推向了更高的毫米波區(qū)域。這種表征還可以包括純光元件的調(diào)制域測量，因?yàn)閹捒梢蚤_始與傳統(tǒng)的光學(xué)機(jī)制相互作用。
本文將探討基于毫米波頻率的光轉(zhuǎn)換器測量，重點(diǎn)關(guān)注高頻發(fā)生的變化。子主題包括校準(zhǔn)和去嵌入步驟、主要設(shè)備表征（用作轉(zhuǎn)移標(biāo)準(zhǔn)）和復(fù)合不確定性。將考慮示例，并介紹更改器件介質(zhì)（在射頻連接意義上）的影響。
二、測量方法
使用光轉(zhuǎn)換組件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析的主要目的是評估信息信號(hào)在調(diào)制和解調(diào)步驟中會(huì)經(jīng)歷的“信道”損傷。通常，這只是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的標(biāo)準(zhǔn)掃頻連續(xù)波單音信號(hào)完成的，但如果存在明顯的非線性，也可以使用實(shí)際的調(diào)制信號(hào)。
由于某些轉(zhuǎn)換組件的可用調(diào)制范圍為100+GHz，因此需要寬帶VNA，并且可以使用達(dá)到220+GHz的儀器。寬帶方面可能很重要，因?yàn)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)通常在這些系統(tǒng)中形成信息有效載荷，因此它是從靠近直流開始的連續(xù)帶寬要求，而不是帶狀要求。頻率響應(yīng)函數(shù)中的結(jié)構(gòu)，即使在中頻，也可能引入誤碼率或眼圖問題。由于響應(yīng)形式的重要性，VNA的校準(zhǔn)在較高頻率下具有更高的重要性。當(dāng)物理介質(zhì)非常規(guī)時(shí)（例如，調(diào)制器用晶圓探針激勵(lì)，或者探測器在微帶夾具中），這可能特別重要。
眼圖對于評估功能響應(yīng)的影響非常重要，通常使用毫米波通道數(shù)據(jù)（顯示損耗、相位斜率和結(jié)構(gòu)）來計(jì)算對數(shù)字信號(hào)的影響，這也是網(wǎng)絡(luò)分析過程的一部分。圖1顯示了通過145 GHz EO/OE路徑的56 Gbaud/s PAM4信號(hào)的示例眼圖，以及沒有EO/OE系統(tǒng)的本地響應(yīng)。請注意，此圖中的垂直比例不同，凈損失未得到補(bǔ)償。光路的衰減在145 GHz時(shí)并不極端，因此該信號(hào)的眼圖失真適中。

圖1：56 Gbaud/s PAM4信號(hào)通過EO-光纖-OE鏈路的眼圖（測量到145 GHz；上圖）和剛剛由同一145 GHz接收機(jī)直接測量的相同信號(hào)（下圖）。由于轉(zhuǎn)換器具有隨頻率變化的損耗斜率，因此眼圖形狀會(huì)隨著光路而變化。這些測量沒有使用預(yù)加重或增益校正。
通常，人們希望識(shí)別特定組件（例如調(diào)制器）的行為，使用已表征器件和去嵌入可以從通路中提取一個(gè)組件的響應(yīng)。一個(gè)器件（此處討論的是光電二極管）的轉(zhuǎn)換行為以可追溯的方式進(jìn)行表征，然后通過從復(fù)合測量中去嵌入將此信息傳播到其他器件，如圖2所示。在該圖中，基礎(chǔ)VNA校準(zhǔn)將參考平面置于EO和OE設(shè)備的射頻輸入端，因此S21測量給出了轉(zhuǎn)換器之間的轉(zhuǎn)換損耗和光路。通過解嵌入其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器的“已知”特性，測量揭示了另一個(gè)轉(zhuǎn)換器和光路的特性。通常，只使用OE的傳輸特性，以便從測量中消除該設(shè)備的損耗和相位變化。由于EO-OE鏈路很少是雙向的，因此兩個(gè)端口之間的多次匹配交互不是問題，更完整的去嵌入方法幾乎沒有帶來什么好處。
轉(zhuǎn)換器之間的光路在損耗意義上可以忽略不計(jì)，但其他特性可能是相關(guān)的，這將在后面的部分中討論。一旦轉(zhuǎn)換器已知，可以使用額外的去嵌入步驟來揭示（有限數(shù)量的）光路特性（損耗和群延遲）。

圖2 一種典型的測量設(shè)置，其中執(zhí)行電氣VNA校準(zhǔn)以設(shè)置初始參考平面，并使用去嵌入來消除EO和/或OE轉(zhuǎn)換器效應(yīng)（在轉(zhuǎn)換損耗意義上）
三、OE設(shè)備的表征
需要對其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行高質(zhì)量的表征，以便能夠解決另一個(gè)問題。這個(gè)過程可以從任何一側(cè)開始，但在這里我們使用光電探測器作為基礎(chǔ)，因?yàn)樗S時(shí)間的穩(wěn)定性更容易量化，偏置依賴性通常較弱?；A(chǔ)表征通常使用電光采樣（EOS）進(jìn)行，其中使用非常窄的光脈沖（飛秒級(jí)，與光電二極管的預(yù)期皮秒級(jí)脈沖響應(yīng)相比）來激發(fā)光電二極管，并對光電二極管的輸出脈沖進(jìn)行時(shí)間分析。通過該輸出脈沖的變換，可以獲得光電二極管的頻率響應(yīng)。圖3顯示了用EOS流程獲得的145 GHz光電二極管的示例脈沖和頻率響應(yīng)曲線。值得注意的是，頻率響應(yīng)曲線并非完全單調(diào)。在內(nèi)部，光電二極管在射頻側(cè)（包括射頻連接器）和有源區(qū)域本身有多個(gè)失配中心，這可能會(huì)導(dǎo)致輕微的紋波。重要的是，這種頻率響應(yīng)結(jié)構(gòu)在時(shí)間上是穩(wěn)定的，因此該器件可以作為傳輸標(biāo)準(zhǔn)。同樣值得注意的是，頻率響應(yīng)的相位也被提取出來，這對于評估通過感興趣的路徑或器件的群延遲失真非常有用。全相位函數(shù)將具有與器件電長度相對應(yīng)的陡峭斜率，主要關(guān)注的是與線性斜率的偏差，該偏差如圖3所示。
然后，如前一節(jié)所述，通過去嵌入，這種主要的電響應(yīng)可用于表征調(diào)制器或系統(tǒng)的其他部分。然后，可以通過使用現(xiàn)在已知的調(diào)制器/EO器件來評估新的光電二極管，從而擴(kuò)展這一過程。

圖3展示了145 GHz光電二極管的EOS沖激響應(yīng)以及頻域變換響應(yīng)（幅度和相位）示例

EOS基本過程在帶寬上是可擴(kuò)展的，因此可以表征高頻二極管。可用的激光脈沖寬度沒有限制（直到至少500 GHz）。用于時(shí)間分析的傳輸結(jié)構(gòu)也很容易達(dá)到至少220 GHz，但由于這通常是在晶圓上完成的，因此它確實(shí)為探針設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)過程帶來了額外的考慮部分。

四、不確定性話題
EO-OE鏈路中任何組件的測量都有各種不確定性因素。最直接的是VNA測量本身，這種純電測量在文獻(xiàn)中得到了廣泛的研究。校準(zhǔn)過程會(huì)帶來一些不確定性，并受到廣泛關(guān)注。由于許多寬帶調(diào)制器和檢測器具有顯著的射頻失配（例如100 GHz以上-5 dB的情況并不罕見），因此殘留失配項(xiàng)可能很明顯。電氣連接的可重復(fù)性和漂移可能很重要。網(wǎng)絡(luò)分析儀的線性有時(shí)會(huì)發(fā)揮作用，但通?？梢詷?gòu)建設(shè)置（將射頻信號(hào)電平限制在某些位置），因此這并不重要。由于許多光器件中的轉(zhuǎn)換損耗很高，因此在VNA測量中可能會(huì)遇到信噪比限制，特別是在低光功率水平下。如果如圖4所示，觀察調(diào)制的光信號(hào)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)后者。如果光功率下降，調(diào)制邊帶的幅度通常也會(huì)下降，這將直接降低VNA接收機(jī)的功率。

圖4 測量傳統(tǒng)調(diào)制器時(shí)入射到光電二極管上的光信號(hào)的光譜
如圖5所示，在三個(gè)光功率水平下的復(fù)合EO-OE測量中可以看到這一結(jié)果。即使曲線形狀不變，它們也更接近VNA噪聲基底（在這個(gè)尺度上標(biāo)稱為-110 dB），因此在這個(gè)例子中，在-25 dBm的光功率下，dB尺度的影響是可能的。降低VNA測量的中頻帶寬、使用接入環(huán)路（以減少接收機(jī)的損耗）或增加射頻功率（直到VNA或EO系統(tǒng)的線性受到挑戰(zhàn)）都是緩解這種情況的手段。最高頻率結(jié)構(gòu)的變化是由于這種設(shè)置中的非線性。

圖5 光功率對測量的EO-OE響應(yīng)的影響。
與較低頻率（<70 GHz）相比，所討論的寬帶頻率確實(shí)增加了測量挑戰(zhàn)：
― 噪聲基底規(guī)格略有下降（例如，-100至-110 dBm，而不是-120或-130 dBm）
― 連接器重復(fù)性和電纜漂移的惡化
― 與校準(zhǔn)相關(guān)的不確定性增加（在待討論的混合介質(zhì)場景中會(huì)加劇）
光學(xué)系統(tǒng)本身可能會(huì)引入額外的不確定性項(xiàng)，包括光功率穩(wěn)定性、光連接的可重復(fù)性和漂移以及偏置穩(wěn)定性（EO或OE組件）。
用于去嵌入過程的初級(jí)轉(zhuǎn)換器的特性也存在不確定性（通?？勺匪莸絿矣?jì)量研究所）。通常，這始于上一節(jié)討論的EOS過程，不確定性包括失配校正的殘差、有限帶寬和去嵌入步驟中的缺陷。圖6顯示了示例特征曲線和不確定性限值。這些不確定性的結(jié)合可以遵循幾種既定做法之一，并可以更好地理解不同項(xiàng)何時(shí)占主導(dǎo)地位。

圖6 OE（光電二極管）器件的主要（基于EOS）特征以及不確定性上限和下限的示例
五、測量示例
一個(gè)簡單的例子是表征145 GHz的EO調(diào)制器。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)有一個(gè)以EOS為特征的光電二極管，EOS數(shù)據(jù)將用于去嵌入。首先，使用0.8mm同軸校準(zhǔn)套件校準(zhǔn)VNA（安立ME7838D）。我們預(yù)計(jì)較高信號(hào)電平的傳輸不確定性為0.1-0.2 dB，該儀器的噪聲基底在大部分頻率范圍內(nèi)為-100至-110 dBm。在這種情況下，與圖6不同，光電二極管表征的不確定性在30 GHz以下最高（低端增加到1 dB），在較高頻率下平均為0.4 dB。
結(jié)合這些不確定性項(xiàng)，可以得出如圖7所示的圖。由于VNA噪聲基底的影響和對光功率的依賴性，x軸在探測器信號(hào)電平方面。對于探測器中3 dBm光功率的這些測量，考慮到所涉及的響應(yīng)率和-10 dBm的射頻驅(qū)動(dòng)，接收電平不會(huì)低于-50 dBm。在高頻下，重復(fù)性和VNA校準(zhǔn)殘差往往占主導(dǎo)地位，而在低頻下，初始光電二極管表征更為重要。

圖7用于提取145 GHz EO響應(yīng)的計(jì)算不確定度曲線。這包括VNA測量、OE表征、光學(xué)設(shè)置和可重復(fù)性方面的不確定性項(xiàng)
復(fù)合響應(yīng)和去嵌入后的結(jié)果如圖8所示。這兩種響應(yīng)在低頻下都?xì)w一化為0 dB。在這種情況下，去嵌入在約130 GHz以下只有適度的影響，表明EO滾降在復(fù)合測量中占主導(dǎo)地位。在較高頻率下，OE光電二極管自身具有更多的滾降（根據(jù)表征），因此提取的EO響應(yīng)顯示出更多的差異。對應(yīng)的眼睛（具有與圖1類似的設(shè)置，但具有不同的歸一化）如圖9所示，僅用于EO?？梢钥吹剑c圖1相比，眼寬度有所減小，這是對這種損失情況的預(yù)期。
在較高的數(shù)據(jù)速率下，有時(shí)光學(xué)組件的帶寬特性會(huì)有所貢獻(xiàn)。一個(gè)例子是保偏光纖，其中光載波上的兩個(gè)射頻調(diào)制邊帶可能會(huì)看到不同的相位速度，并且這種差異隨著調(diào)制速率的增加而增加。當(dāng)這些邊帶在（非線性）光電探測過程中重新組合時(shí)，相位差可以轉(zhuǎn)換為振幅差。光纖色散的變化可能伴隨著連接過程、施加的機(jī)械應(yīng)力的變化或看似無害的光纖替代。圖10顯示了一個(gè)示例，顯示了射頻帶寬的變化。

圖8示例復(fù)合EO-OE響應(yīng)以及去嵌入的EO結(jié)果為145 GHz

圖9將56 Gbaud/s PAM4信號(hào)輸入145 GHz系統(tǒng)，計(jì)算出圖8中EO的眼圖響應(yīng)

圖10一個(gè)示例顯示了光纖偏振色散的變化如何導(dǎo)致提取的EO器件響應(yīng)中的感知帶寬變化
六、混合介質(zhì)造成的復(fù)雜度
隨著光學(xué)系統(tǒng)集成水平的提高（包括硅光子學(xué)的流行領(lǐng)域），這種類型的測量通常包括混合介質(zhì)（例如，一個(gè)端口在晶圓上探測，另一個(gè)端口可以是固定的或同軸的）。這種設(shè)置的草圖如圖11a所示。不僅光學(xué)工程更復(fù)雜，毫米波校準(zhǔn)和去嵌入也更具挑戰(zhàn)性，可能會(huì)增加不確定性。
關(guān)于如何執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析校準(zhǔn)，有幾個(gè)選項(xiàng)：
（1） 在晶圓上執(zhí)行VNA校準(zhǔn)，然后嵌入探針或夾具臂的特性（圖11b）。這可以利用在毫米波范圍內(nèi)相對容易理解的標(biāo)準(zhǔn)晶圓上校準(zhǔn)方法。存在一些問題（例如，晶圓/基板上的高階模式傳播、與附近金屬化結(jié)構(gòu)的耦合……），但幾何形狀至少得到了控制。表征探針/夾具臂至關(guān)重要，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)提取問題已經(jīng)得到了廣泛的討論。不確定性通常隨著頻率的增加而增加。
（2） 同軸進(jìn)行VNA校準(zhǔn)并拆下探針（見圖11c）。在適度的毫米波頻率下（例如，到150 GHz），由于存在特征良好的同軸校準(zhǔn)套件，這可能更簡單。探針表征挑戰(zhàn)依然存在。
（3） 執(zhí)行混合校準(zhǔn)，其中兩個(gè)基礎(chǔ)校準(zhǔn)（例如，晶圓上校準(zhǔn)和同軸校準(zhǔn)）與使用單個(gè)往復(fù)式器件（通常是探針）相結(jié)合。見圖11d。這里，來自兩個(gè)基準(zhǔn)校準(zhǔn)的誤差系數(shù)的一部分與倒數(shù)處理步驟相結(jié)合，以在所需的參考平面上形成校準(zhǔn)。這通常是一個(gè)較長的過程，執(zhí)行起來可能很復(fù)雜。它確實(shí)避免了需要單獨(dú)的探針表征（或從其他來源了解探針的特性）。
所有這些方法都增加了VNA的不確定性，理想的選擇可能取決于設(shè)置的機(jī)械細(xì)節(jié)（例如，拆卸每個(gè)探針或夾具臂的難度）。在100 GHz以上，這些額外的步驟可能會(huì)增加十分之幾dB或更多的凈不確定性。從電氣角度來看，不同連接的可重復(fù)性是一個(gè)因素，EO和OE設(shè)備的不匹配也是一個(gè)因素（即，對于更不匹配的設(shè)備，可重復(fù)性和校準(zhǔn)不確定性可能會(huì)產(chǎn)生更大的影響，因此可能需要對該端口更加小心）。

圖11一個(gè)光轉(zhuǎn)換器使用與另一個(gè)不同的射頻介質(zhì)連接的情況（圖11a）。有許多不同的VNA校準(zhǔn)方法可以處理這個(gè)問題（圖11b-d）。
七、結(jié)論
增加光鏈路上直接調(diào)制帶寬的愿望有助于推動(dòng)使用寬帶網(wǎng)絡(luò)分析儀和寬帶主設(shè)備測量的光轉(zhuǎn)換器（和相關(guān)設(shè)備）的更高頻率表征方法。在這些更高的頻率下，不確定性增加，主導(dǎo)項(xiàng)可能會(huì)發(fā)生變化，新的項(xiàng)可能會(huì)出現(xiàn)。隨著對這些頻率的集成需求越來越大，測量介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，可能需要修改校準(zhǔn)和去嵌入策略。

審核編輯 黃宇