CN105049114A - 一种测试光交换芯片模块性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，提供一种测试光交换芯片模块性能的方法。本发明通过测量光交换芯片模块输入端口到输出端口的频谱传输特性，分别获取“单端口输入”和“多端口输入”状态下光交换芯片模块的频谱眼图，计算出光功率增益或消光比曲线，能够直观地观察和定量地确定光交换芯片模块在每种光交换状态下的消光比、串扰、光信噪比、带宽及其抖动、频谱形状因子等性能参数，本发明适用于各种光交换芯片模块进行测试，特别适合测试基于微环谐振器的光交换芯片。本发明提供的测试方法为光交换芯片的设计开发、模块化封装、性能测试等环节提供了有效的测试手段和评价依据，大大提高了芯片测试的科学性。

Description

一种测试光交换芯片模块性能的方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种测试光交换芯片模块性能的方法。

背景技术

现代通信网中，先进的光纤通信技术以其高速，带宽的明显特征而为世人所瞩目。实现灵活智能的、具有高度生存性的大容量全光交换网络是下一代光纤通信网络的发展目标，主要依赖于光交换技术的演进。光交换矩阵单元是光交换节点技术的核心，通常由多个2×2开关组成。光交换矩阵单元的构建方式有多种，其中硅基光交换芯片模块是光交换矩阵单元在芯片层面上的实现，符合光通信器件的集成化发展趋势，越来越受到人们的重视。

目前，比较流行的光交换矩阵芯片是基于微环谐振器光开关单元或马赫-曾德尔光开关单元构建的，光交换芯片能够高速动态地进行光路由选择和切换，交换规模已经达到16×16以上。光交换芯片模块的设计、加工、制作、封装、测试等诸多环节共同决定了光交换芯片的性能优劣，目前还没有统一的测试方法，能够像光纤通信系统性能测试方法那样将光交换芯片的主要性能参数全部给出；多数性能参数的测试方法沿用了传统方法，没有针对性。例如，在串扰的测量中，采用关断待测光路输入信号的方式进行测量，没有考虑到光交换芯片中需要考虑的相干效应的影响，不能客观地评价光交换芯片正常工作时的性能；传统的测试方法也没能将光交换芯片的频谱特性与消光比等性能直接联系起来，不能准确地给出光交换芯片的工作带宽。另一方面，光交换芯片的性能很大程度上依赖于电路的性能，由于光交换芯片的尺寸微小，对驱动或控制电路要求很高；如何能够在光域上体现出电路的稳定性，也是一个具有挑战性的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有光交换芯片测试方法的缺点提供一种测试光交换芯片模块性能的方法，适用于各种光交换芯片模块进行测试，特别适合测试基于微环谐振器的光交换芯片。本发明提供的测试方法为光交换芯片的设计开发、模块化封装、性能测试等环节提供了有效的测试手段和评价依据，大大提高了芯片测试的科学性。

本发明的技术方案中，首先说明的是光交换芯片的工作状态中输入端与输出端为一一对应，因而本发明所述的测试方法也是针对一组指定的待测输入、输出端口进行说明的，具体技术方案为：一种测试光交换芯片模块性能的方法，包括以下步骤：

步骤1.初始化待测光交换芯片的开关单元配置状态：针对待测光交换芯片任一组指定待测输入、输出端口，“开”状态定义为待测输入端口与待测输出端口之间建立连通光路的状态，反之为“关”状态；同时定义“单端口输入”表示仅有待测输入端口输入光信号，“多端口输入”表示除待测输入端口外还有一个或一个以上输入端口输入光信号；同时，所有输入端口输入光信号为等功率的光信号；

步骤2.在“单端口输入”状态下，配置待测光交换芯片为“开”状态，测量得待测输出端口的输出光频谱曲线P₁(f)；再配置待测光交换芯片为“关”状态，测量得待测输出端口的输出光频谱曲线P₀(f)；并计算相应消光比曲线：ER_dB＝P_1dB(f)-P_0dB(f)，该消光比曲线以dB为单位，P_1dB(f)和P_0dB(f)分别由P₁(f)和P₀(f)单位转换得到；

步骤3.在“多端口输入”状态下，配置待测光交换芯片为“开”状态，测量得待测输出端口的输出光频谱曲线再配置待测光交换芯片为“关”状态，此时保持待测输出端口与所有输入端之间为“关”状态，测量得待测输出端口的输出光频谱曲线并计算相应消光比曲线：该消光比曲线以dB为单位，和分别由和单位转换得到；

步骤4.计算待测光交换芯片为“关”状态下，待测输出端的输出光功率增益曲线：该增益曲线以dB为单位；

步骤5.计算待测光交换芯片为“开”状态下，待测光交换芯片的串扰性能：CT_dB(f)≈10lg(G_0dB+ΔER_dB)-6.378，其中，

在本发明中，步骤2、3中测量待测输出端口在不同状态下的输出光频谱曲线的方法为：采用指定谱宽的宽谱光源，通过光谱分析仪一次获得频谱曲线；或者通过设置扫描激光器连续输出指定谱宽的光信号，利用光功率计接收每个频率分量的光功率，最后叠加得到频谱曲线。将“开”、“关”状态下的频谱曲线叠加在同一个坐标系中即可得到类似于通信信号分析仪眼图的频谱图像，即频谱眼图；频谱眼图的上下张开度对应于相应工作波长处的消光比，据此能够直观地观察光交换芯片的驱动或控制状态；另外实现多波长信号的交换功能时，根据频谱眼图能够得到该光交换芯片处于特定交换状态下所需消光比对应的工作波长范围，即工作带宽，有助于优化交换芯片模块的性能。

根据所得到的频谱眼图，在每个波长或频点上对“开”、“关”状态下的频谱曲线进行功率比较，可得消光比的波长(频率)依赖曲线，即为消光比曲线；消光比曲线反映了光交换芯片由指定“开”状态转换到指定“关”状态时的消光比随波长(频率)的变换关系；通过消光比曲线还能够定量地测量交换芯片的带宽容量，便于选择合适的调制信号进行传输。

本发明中，所有输入端口输入光信号为等功率的光信号，将“关”状态下的“多端口输入”与“单端口输入”状态下的频谱曲线进行之比，就得到了功率增益曲线；通过“关”状态下的功率增益曲线和单端口/多端口输入情况下的消光比曲线，就能够得到光交换芯片的串扰随工作波长(频率)的变化关系。由于光交换芯片波导结构尺寸非常小，输入光信号在芯片中会进行多径开关耦合，特别是在多端口输入情况下，不仅会出现串扰功率的叠加，也容易导致串扰的相干叠加，在基于微环谐振器和马赫-曾德尔干涉结构的交换芯片中尤其明显；本发明提供的串扰测试方法，能够将交换芯片中不可避免的干涉因素考虑在内，测试结果更加符合实际情况。

另外，由于控制电路的不稳定性和测试环境的变化等各种因素，尤其对于微环谐振器这类较敏感的器件来说，多次测量叠加之后的消光比曲线会出现“抖动”现象，能够测量得其标准差σ，从而计算其光信噪比OSNR_dB＝ER_dB-σ_dB；能够直观地观测到电路抖动等因素对光交换芯片交换性能的影响。

综上，本发明提供的测试光交换芯片模块性能的方法，能够像光纤通信系统性能测试方法那样，综合测量出光交换芯片的主要性能参数，包括消光比、串扰、光信噪比、带宽及其抖动、频谱形状因子等，可为光交换芯片模块的设计、加工、制作、封装、测试等诸多环节提供统一的测试方法，针对性强。与传统测试方法相比，传统方法为了测试方便往往需要通断信号光，这样的所测得的串扰结果并没有考虑到信号光与串扰之间的相互作用，也有别于芯片的实际工作状态；而本发明的串扰测量方法总是在待测光信号始终存在的条件下进行测量的，与光交换芯片的实际工作情形一致，能够客观地反映光交换芯片正常工作时的性能，测量出的芯片带宽也总是与消光比等性能参数相联系。光交换芯片的传输性能与驱动或控制电路的稳定性密切相关，本发明公开的测试光交换芯片模块性能的方法也可以用于测试电路的稳定性，即在光域上评价电路的噪声特性。

附图说明

图1是本发明提供测试光交换芯片模块性能的方法的流程示意图。

图2是实施例中待测光交换芯片“单端口输入”状态下的频谱眼图曲线。

图3是实施例中由图2所示频谱眼图得到的消光比随频率曲线。

图4是实施例中测量得串扰随频率的变化曲线。

图5是实施例中测量得具有一定抖动宽度的消光比曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例中采用4×4光交换芯片为待测光交换芯片，该光交换芯片的开关单元由马赫-曾德尔干涉型2×2光开关单元所组成，在外置控制电路的驱动下，能够通过对该光交换芯片中的p-i-n和n-i-n电极施加偏置电压的方式来控制每个开关单元的开关状态，从而控制光交换芯片整体的光交换状态。

本实施例中测试光交换芯片模块性能的方法，具体步骤如图1所示。

步骤1.初始化光交换芯片的开关单元配置状态。其中温控电路控制n-i-n电极以稳定光交换芯片的初始工作状态，p-i-n电极用于驱动光交换芯片中的各个开关单元的工作状态；使光交换芯片完成光交换功能。对于指定待测输入/输出端口，“开”状态表示输入与输出端口之间建立了连通的光路，而“关”状态表示输入与输出端口之间没有建立连通的光路；通过配置相应的交换状态，就能任意对应的输入/输出端口处于“开”或者“关”状态。

步骤2.在“单端口输入”状态下，测量给定交换状态下输出端口的输出光频谱曲线P(f)；通过设置扫描激光器，在一定频率范围内连续输出一组具有相同光功率的信号光，并调节偏振控制器使信号光输入到光交换芯片；在输出端口，通过光功率计来测量每个扫描频率点所对应的光功率；将采集到的输出光功率与扫描波长(频率)对应起来，即为输出光功率随扫描波长(频率)的变化曲线。当待测光交换芯片的指定待测输入/输出端口处于“开”状态时，测得的频谱曲线可用P₁(f)表示；通过开关驱动电路可改变光交换芯片的交换状态，即待测输入/输出端口从“开”变到“关”状态，在“关”状态下，采用相同的测量过程，获得输出光功率随扫描波长(频率)的变化关系P₀(f)。

将上述“开”和“光”状态下所得的频谱曲线显示于同一窗口中，得到如图2所示的频谱眼图。它类似于通信信号分析仪所产生的眼图，但横坐标不同。通过该频谱眼图能够得到许多与光交换芯片有关的性能参数，频谱眼图中“眼睛”的上下张开度对应于相应工作波长(频率)处的消光比。因此，频谱眼图可直观地观察光交换芯片的开关性能，甚至可以用于调测开关驱动电路或开关偏置电路的工作状态等。

根据频谱眼图，对“开”和“关”状态下的输出光谱曲线进行如下运算处理，可获取光交换芯片的消光比量化信息，即ER_dB＝P_1dB(f)-P_0dB(f)，对应的消光比曲线如图3所示，以dB为单位。根据消光比曲线可定量地确定光交换芯片的性能参数，据此可优化光交换芯片的交换状态，得到满足消光比要求的工作带宽范围。

步骤3.对“多端口输入”状态进行同样的测试，根据单端口与多端口的测试结果得到最终的串扰性能。需注意的是，“多端口输入”时，对指定的待测输入/输出端口进行“关”状态测试时，该输出端口不能与其它输入端口形成“开”状态。指定的待测试输入/输出端口处于“开”和“关”状态下的频谱曲线记为和相应的消光比曲线为

步骤4.在“关”状态下，“单端口输入”和“多端口输入”时输出光功率的变化关系用光功率增益表示。

步骤5.根据“单端口输入”和“多端口输入”时，“关”状态下的光功率增益曲线以及消光比曲线，可确定指定输入/输出端口处于“开”状态时该光交换芯片的串扰性能：

CT_dB(f)≈10lg(G_0dB+ΔER_dB)-6.378，其中

得到的串扰曲线如图4所示。

另外，在给定的两种或多种交换路由状态下，由于光交换芯片驱动或控制电路的精度原因，或者光交换芯片受到外界干扰等因素的影响，多次测量所得到的消光比曲线会出现幅度或频谱宽度的“抖动”，如图5所示；根据消光比曲线的抖动特性可获得光交换芯片的光信噪比(OSNR_dB＝ER_dB-σ_dB)和带宽抖动信息，也可以用于测试电路抖动对光交换芯片性能的劣化程度。

综上，本实施例测试方法中，根据消光比曲线直接得到各种交换状态下光交换芯片的开关消光比及其对应的工作带宽；根据单端口输入和多端口输入情形下所测得的开关消光比和“关”状态下的光功率增益，计算测量出光交换芯片的串扰性能；根据消光比曲线的抖动特性计算测量光信噪比和带宽抖动。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种测试光交换芯片模块性能的方法，包括以下步骤：

步骤1.初始化待测光交换芯片的开关单元配置状态：针对待测光交换芯片任一组指定待测输入、输出端口，“开”状态定义为待测输入端口与待测输出端口之间建立连通光路的状态，反之为“关”状态；同时定义“单端口输入”表示仅有待测输入端口输入光信号，“多端口输入”表示除待测输入端口外还有一个或一个以上输入端口输入光信号；同时，所有输入端口输入光信号为等功率的光信号；

步骤2.在“单端口输入”状态下，配置待测光交换芯片为“开”状态，测量得待测输出端口的输出光频谱曲线P₁(f)；再配置待测光交换芯片为“关”状态，测量得待测输出端口的输出光频谱曲线P₀(f)；并计算相应消光比曲线：ER_dB＝P_1dB(f)-P_0dB(f)，该消光比曲线以dB为单位，P_1dB(f)和P_0dB(f)分别由P₁(f)和P₀(f)单位转换得到；

步骤3.在“多端口输入”状态下，配置待测光交换芯片为“开”状态，测量得待测输出端口的输出光频谱曲线再配置待测光交换芯片为“关”状态，此时保持待测输出端口与所有输入端之间为“关”状态，测量得待测输出端口的输出光频谱曲线并计算相应消光比曲线：该消光比曲线以dB为单位，和分别由和单位转换得到；

步骤4.计算待测输入、输出端口在“关”状态下，待测输出端的输出光功率增益为： $G_0=\frac{P_0^m\left(f\right)}{P_0\left(f\right)};$

步骤5.计算待测输入、输出端口在“开”状态下，待测光交换芯片的串扰性能：CT_dB(f)≈10lg(G_0dB+ΔER_dB)-6.378，其中， $G_{0dB}={P_0^m}_{dB}\left(f\right)-P_{0dB}\left(f\right),{\mathrm{\ΔER}}_{dB}={\mathrm{ER}}_{dB}^m-{\mathrm{ER}}_{dB}.$

2.按权利要求1所述测试光交换芯片模块性能的方法，其特征在于，所述步骤2、3中测量待测输出端口的输出光频谱曲线的方法为：采用指定谱宽的宽谱光源，通过光谱分析仪一次获得频谱曲线；或者通过设置扫描激光器连续输出指定谱宽的光信号，利用光功率计接收每个频率分量的光功率，最后叠加得到频谱曲线。