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用額外的光波長（或其他光學參數(shù)）或改變調(diào)制技術來實現(xiàn)的，但可能不會增加單載波調(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)電氣側的射頻帶寬增加到100+GHz范圍。反過來，這將用于光轉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，因為帶寬可以開始與傳統(tǒng)的光學機制相互作用。

本文將探討基于毫米波頻率的光轉換器測量，重點關注高頻發(fā)生的變化。子主題包括校準和去嵌入步驟、主要設備表征（用作轉移標準）和復合不確定性。將考慮示例，并介紹更改器件介質（在射頻連接意義上）的影響。

二、測量方法

使用光轉換組件進行網(wǎng)絡分析的主要目的是評估信息信號在調(diào)制和解調(diào)步驟中會經(jīng)歷的“信道”損傷。通常，這只是用矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）的標準掃頻連續(xù)波單音信號完成的，但如果存在明顯的非線性，也可以使用實際的調(diào)制信號。

由于某些轉換組件的可用調(diào)制范圍為100+GHz，因此需要寬帶VNA，并且可以使用達到220+GHz的儀器。寬帶方面可能很重要，因為數(shù)字信號通常在這些系統(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。頻率響應函數(shù)中的結構，即使在中頻，也可能引入誤碼率或眼圖問題。由于響應形式的重要性，VNA的校準在較高頻率下具有更高的重要性。當物理介質非常規(guī)時（例如，調(diào)制器用晶圓探針激勵，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、相位斜率和結構）來計算對數(shù)字信號的影響，這也是網(wǎng)絡分析過程的一部分。圖1顯示了通過145GHz EO/OE路徑的56Gbaud/sPAM4信號的示例眼圖，以及沒有EO/OE系統(tǒng)的本地響應。請注意，此圖中的垂直比例不同，凈損失未得到補償。光路的衰減在145GHz時并不極端，因此該信號的眼圖失真適中。

圖1：56Gbaud/s PAM4信號通過EO-光纖-OE鏈路的眼圖（測量到145GHz；上圖）和剛剛由同一145GHz接收機直接測量的相同信號（下圖）。由于轉換器具有隨頻率變化的損耗斜率，因此眼圖形狀會隨著光路而變化。這些測量沒有使用預加重或增益校正。

通常，人們希望識別特定組件（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組件的響應。一個器件（此處討論的是光電二極管）的轉換行為以可追溯的方式進行表征，然后通過從復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VNA校準將參考平面置于EO和OE設備的射頻輸入端，因此S21測量給出了轉換器之間的轉換損耗和光路。通過解嵌入其中一個轉換器的“已知”特性，測量揭示了另一個轉換器和光路的特性。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。

轉換器之間的光路在損耗意義上可以忽略不計，但其他特性可能是相關的，這將在后面的部分中討論。一旦轉換器已知，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）。

三、OE設備的表征

需要對其中一個轉換器件進行高質量的表征，以便能夠解決另一個問題。這個過程可以從任何一側開始，但在這里我們使用光電探測器作為基礎，因為它隨時間的穩(wěn)定性更容易量化，偏置依賴性通常較弱?；A表征通常使用電光采樣（EOS）進行，其中使用非常窄的光脈沖（飛秒級，與光電二極管的預期皮秒級脈沖響應相比）來激發(fā)光電二極管，并對光電二極管的輸出脈沖進行時間分析。通過該輸出脈沖的變換，可以獲得光電二極管的頻率響應。圖3顯示了用EOS流程獲得的145GHz光電二極管的示例脈沖和頻率響應曲線。值得注意的是，頻率響應曲線并非完全單調(diào)。在內(nèi)部，光電二極管在射頻側（包括射頻連接器）和有源區(qū)域本身有多個失配中心，這可能會導致輕微的紋波。重要的是，這種頻率響應結構在時間上是穩(wěn)定的，因此該器件可以作為傳輸標準。同樣值得注意的是，頻率響應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的陡峭斜率，主要關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，從而擴展這一過程。

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

EOS基本過程在帶寬上是可擴展的，因此可以表征高頻二極管?？捎玫募す饷}沖寬度沒有限制（直到至少500GHz）。用于時間分析的傳輸結構也很容易達到至少220GHz，但由于這通常是在晶圓上完成的，因此它確實為探針設計和校準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中得到了廣泛的研究。校準過程會帶來一些不確定性，并受到廣泛關注。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100GHz以上-5dB的情況并不罕見），因此殘留失配項可能很明顯。電氣連接的可重復性和漂移可能很重要。網(wǎng)絡分析儀的線性有時會發(fā)揮作用，但通常可以構建設置（將射頻信號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換損耗很高，因此在VNA測量中可能會遇到信噪比限制，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，就會發(fā)現(xiàn)后者。如果光功率下降，調(diào)制邊帶的幅度通常也會下降，這將直接降低VNA接收機的功率。

圖4測量傳統(tǒng)調(diào)制器時入射到光電二極管上的光信號的光譜

如圖5所示，在三個光功率水平下的復合EO-OE測量中可以看到這一結果。即使曲線形狀不變，它們也更接近VNA噪聲基底（在這個尺度上標稱為-110dB），因此在這個例子中，在-25dBm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。最高頻率結構的變化是由于這種設置中的非線性。

圖5光功率對測量的EO-OE響應的影響。

與較低頻率（<70GHz）相比，所討論的寬帶頻率確實增加了測量挑戰(zhàn)：

― 噪聲基底規(guī)格略有下降（例如，-100至-110dBm，而不是-120或-130dBm）

― 連接器重復性和電纜漂移的惡化

― 與校準相關的不確定性增加（在待討論的混合介質場景中會加?。?/p>

光學系統(tǒng)本身可能會引入額外的不確定性項，包括光功率穩(wěn)定性、光連接的可重復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轉換器的特性也存在不確定性（通常可追溯到國家計量研究所）。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。這些不確定性的結合可以遵循幾種既定做法之一，并可以更好地理解不同項何時占主導地位。

圖6OE（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

一個簡單的例子是表征145GHz的EO調(diào)制器。在這個頻率范圍內(nèi)有一個以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同軸校準套件校準VNA（安立ME7838D）。我們預計較高信號電平的傳輸不確定性為0.1-0.2dB，該儀器的噪聲基底在大部分頻率范圍內(nèi)為-100至-110dBm。在這種情況下，與圖6不同，光電二極管表征的不確定性在30GHz以下最高（低端增加到1dB），在較高頻率下平均為0.4dB。

結合這些不確定性項，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軸在探測器信號電平方面。對于探測器中3dBm光功率的這些測量，考慮到所涉及的響應率和-10dBm的射頻驅動，接收電平不會低于-50dBm。在高頻下，重復性和VNA校準殘差往往占主導地位，而在低頻下，初始光電二極管表征更為重要。

圖7用于提取145GHz EO響應的計算不確定度曲線。這包括VNA測量、OE表征、光學設置和可重復性方面的不確定性項

復合響應和去嵌入后的結果如圖8所示。這兩種響應在低頻下都歸一化為0dB。在這種情況下，去嵌入在約130GHz以下只有適度的影響，表明EO滾降在復合測量中占主導地位。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響應顯示出更多的差異。對應的眼睛（具有與圖1類似的設置，但具有不同的歸一化）如圖9所示，僅用于EO。可以看到，與圖1相比，眼寬度有所減小，這是對這種損失情況的預期。

在較高的數(shù)據(jù)速率下，有時光學組件的帶寬特性會有所貢獻。一個例子是保偏光纖，其中光載波上的兩個射頻調(diào)制邊帶可能會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。當這些邊帶在（非線性）光電探測過程中重新組合時，相位差可以轉換為振幅差。光纖色散的變化可能伴隨著連接過程、施加的機械應力的變化或看似無害的光纖替代。圖10顯示了一個示例，顯示了射頻帶寬的變化。

圖8示例復合EO-OE響應以及去嵌入的EO結果為145GHz

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

圖10一個示例顯示了光纖偏振色散的變化如何導致提取的EO器件響應中的感知帶寬變化

六、混合介質造成的復雜度

隨著光學系統(tǒng)集成水平的提高（包括硅光子學的流行領域），這種類型的測量通常包括混合介質（例如，一個端口在晶圓上探測，另一個端口可以是固定的或同軸的）。這種設置的草圖如圖11a所示。不僅光學工程更復雜，毫米波校準和去嵌入也更具挑戰(zhàn)性，可能會增加不確定性。

關于如何執(zhí)行網(wǎng)絡分析校準，有幾個選項：

（1）在晶圓上執(zhí)行VNA校準，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)相對容易理解的標準晶圓上校準方法。存在一些問題（例如，晶圓/基板上的高階模式傳播、與附近金屬化結構的耦合……），但幾何形狀至少得到了控制。表征探針/夾具臂至關重要，這個網(wǎng)絡提取問題已經(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）同軸進行VNA校準并拆下探針（見圖11c）。在適度的毫米波頻率下（例如，到150GHz），由于存在特征良好的同軸校準套件，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，其中兩個基礎校準（例如，晶圓上校準和同軸校準）與使用單個往復式器件（通常是探針）相結合。見圖11d。這里，來自兩個基準校準的誤差系數(shù)的一部分與倒數(shù)處理步驟相結合，以在所需的參考平面上形成校準。這通常是一個較長的過程，執(zhí)行起來可能很復雜。它確實避免了需要單獨的探針表征（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置的機械細節(jié)（例如，拆卸每個探針或夾具臂的難度）。在100GHz以上，這些額外的步驟可能會增加十分之幾dB或更多的凈不確定性。從電氣角度來看，不同連接的可重復性是一個因素，EO和OE設備的不匹配也是一個因素（即，對于更不匹配的設備，可重復性和校準不確定性可能會產(chǎn)生更大的影響，因此可能需要對該端口更加小心）。

圖11一個光轉換器使用與另一個不同的射頻介質連接的情況（圖11a）。有許多不同的VNA校準方法可以處理這個問題（圖11b-d）。

七、結論

增加光鏈路上直接調(diào)制帶寬的愿望有助于推動使用寬帶網(wǎng)絡分析儀和寬帶主設備測量的光轉換器（和相關設備）的更高頻率表征方法。在這些更高的頻率下，不確定性增加，主導項可能會發(fā)生變化，新的項可能會出現(xiàn)。隨著對這些頻率的集成需求越來越大，測量介質也會發(fā)生變化，可能需要修改校準和去嵌入策略。