矢量網絡分析儀（VNA）毫米波光

一、內容簡介

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)）或改變調制技術來實現(xiàn)的，但可能不會增加單載波調制帶寬。最近，人們還希望增加這些調制帶寬，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絡分析的主要目的是評估信息信號在調制和解調步驟中會經歷的“信道”損傷。通常，這只是用矢量網絡分析儀（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制信號。

由于某些轉換組件的可用調制范圍為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。基礎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。在內部，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。可用的激光脈沖寬度沒有限制（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，觀察調制的光信號，就會發(fā)現(xiàn)后者。如果光功率下降，調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劇）

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調制器。在這個頻率范圍內有一個以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制邊帶可能會看到不同的相位速度，并且這種差異隨著調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，這個網絡提取問題已經得到了廣泛的討論。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制帶寬的愿望有助于推動使用寬帶網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。