矢量网络分析仪（VNA）毫米波光

 一、内容简介

在光通信链路中增加聚合带宽的愿望并没有减少。多年来，这一增长主要是通过复用额外的光波长（或其他光学参数）或改变调制技术来实现的，但可能不会增加单载波调制带宽。最近，人们还希望增加这些调制带宽，这意味着将系统电气侧的射频带宽增加到100+GHz范围。反过来，这将用于光转换和其他组件的射频表征工具推向了更高的毫米波区域。这种表征还可以包括纯光元件的调制域测量，因为带宽可以开始与传统的光学机制相互作用。

本文将探讨基于毫米波频率的光转换器测量，重点关注高频发生的变化。子主题包括校准和去嵌入步骤、主要设备表征（用作转移标准）和复合不确定性。将考虑示例，并介绍更改器件介质（在射频连接意义上）的影响。

二、测量方法

使用光转换组件进行网络分析的主要目的是评估信息信号在调制和解调步骤中会经历的“信道”损伤。通常，这只是用矢量网络分析仪（VNA）的标准扫频连续波单音信号完成的，但如果存在明显的非线性，也可以使用实际的调制信号。 

由于某些转换组件的可用调制范围为100+GHz，因此需要宽带VNA，并且可以使用达到220+GHz的仪器。宽带方面可能很重要，因为数字信号通常在这些系统中形成信息有效载荷，因此它是从靠近直流开始的连续带宽要求，而不是带状要求。频率响应函数中的结构，即使在中频，也可能引入误码率或眼图问题。由于响应形式的重要性，VNA的校准在较高频率下具有更高的重要性。当物理介质非常规时（例如，调制器用晶圆探针激励，或者探测器在微带夹具中），这可能特别重要。 

眼图对于评估功能响应的影响非常重要，通常使用毫米波通道数据（显示损耗、相位斜率和结构）来计算对数字信号的影响，这也是网络分析过程的一部分。图1显示了通过145 GHz EO/OE路径的56 Gbaud/s PAM4信号的示例眼图，以及没有EO/OE系统的本地响应。请注意，此图中的垂直比例不同，净损失未得到补偿。光路的衰减在145 GHz时并不极端，因此该信号的眼图失真适中。

图1：56 Gbaud/s PAM4信号通过EO-光纤-OE链路的眼图（测量到145 GHz；上图）和刚刚由同一145 GHz接收机直接测量的相同信号（下图）。由于转换器具有随频率变化的损耗斜率，因此眼图形状会随着光路而变化。这些测量没有使用预加重或增益校正。

通常，人们希望识别特定组件（例如调制器）的行为，使用已表征器件和去嵌入可以从通路中提取一个组件的响应。一个器件（此处讨论的是光电二极管）的转换行为以可追溯的方式进行表征，然后通过从复合测量中去嵌入将此信息传播到其他器件，如图2所示。在该图中，基础VNA校准将参考平面置于EO和OE设备的射频输入端，因此S21测量给出了转换器之间的转换损耗和光路。通过解嵌入其中一个转换器的“已知”特性，测量揭示了另一个转换器和光路的特性。通常，只使用OE的传输特性，以便从测量中消除该设备的损耗和相位变化。由于EO-OE链路很少是双向的，因此两个端口之间的多次匹配交互不是问题，更完整的去嵌入方法几乎没有带来什么好处。

转换器之间的光路在损耗意义上可以忽略不计，但其他特性可能是相关的，这将在后面的部分中讨论。一旦转换器已知，可以使用额外的去嵌入步骤来揭示（有限数量的）光路特性（损耗和群延迟）。

图2 一种典型的测量设置，其中执行电气VNA校准以设置初始参考平面，并使用去嵌入来消除EO和/或OE转换器效应（在转换损耗意义上）

三、OE设备的表征

需要对其中一个转换器件进行高质量的表征，以便能够解决另一个问题。这个过程可以从任何一侧开始，但在这里我们使用光电探测器作为基础，因为它随时间的稳定性更容易量化，偏置依赖性通常较弱。基础表征通常使用电光采样（EOS）进行，其中使用非常窄的光脉冲（飞秒级，与光电二极管的预期皮秒级脉冲响应相比）来激发光电二极管，并对光电二极管的输出脉冲进行时间分析。通过该输出脉冲的变换，可以获得光电二极管的频率响应。图3显示了用EOS流程获得的145 GHz光电二极管的示例脉冲和频率响应曲线。值得注意的是，频率响应曲线并非完全单调。在内部，光电二极管在射频侧（包括射频连接器）和有源区域本身有多个失配中心，这可能会导致轻微的纹波。重要的是，这种频率响应结构在时间上是稳定的，因此该器件可以作为传输标准。同样值得注意的是，频率响应的相位也被提取出来，这对于评估通过感兴趣的路径或器件的群延迟失真非常有用。全相位函数将具有与器件电长度相对应的陡峭斜率，主要关注的是与线性斜率的偏差，该偏差如图3所示。

然后，如前一节所述，通过去嵌入，这种主要的电响应可用于表征调制器或系统的其他部分。然后，可以通过使用现在已知的调制器/EO器件来评估新的光电二极管，从而扩展这一过程。

图3 展示了145 GHz光电二极管的EOS冲激响应以及频域变换响应（幅度和相位）示例

EOS基本过程在带宽上是可扩展的，因此可以表征高频二极管。可用的激光脉冲宽度没有限制（直到至少500 GHz）。用于时间分析的传输结构也很容易达到至少220 GHz，但由于这通常是在晶圆上完成的，因此它确实为探针设计和校准过程带来了额外的考虑部分。

四、不确定性话题

EO-OE链路中任何组件的测量都有各种不确定性因素。最直接的是VNA测量本身，这种纯电测量在文献中得到了广泛的研究。校准过程会带来一些不确定性，并受到广泛关注。由于许多宽带调制器和检测器具有显著的射频失配（例如100 GHz以上-5 dB的情况并不罕见），因此残留失配项可能很明显。电气连接的可重复性和漂移可能很重要。网络分析仪的线性有时会发挥作用，但通常可以构建设置（将射频信号电平限制在某些位置），因此这并不重要。由于许多光器件中的转换损耗很高，因此在VNA测量中可能会遇到信噪比限制，特别是在低光功率水平下。如果如图4所示，观察调制的光信号，就会发现后者。如果光功率下降，调制边带的幅度通常也会下降，这将直接降低VNA接收机的功率。

图4 测量传统调制器时入射到光电二极管上的光信号的光谱

如图5所示，在三个光功率水平下的复合EO-OE测量中可以看到这一结果。即使曲线形状不变，它们也更接近VNA噪声基底（在这个尺度上标称为-110 dB），因此在这个例子中，在-25 dBm的光功率下，dB尺度的影响是可能的。降低VNA测量的中频带宽、使用接入环路（以减少接收机的损耗）或增加射频功率（直到VNA或EO系统的线性受到挑战）都是缓解这种情况的手段。最高频率结构的变化是由于这种设置中的非线性。

图5 光功率对测量的EO-OE响应的影响。

与较低频率（<70 GHz）相比，所讨论的宽带频率确实增加了测量挑战：

― 噪声基底规格略有下降（例如，-100至-110 dBm，而不是-120或-130 dBm）

― 连接器重复性和电缆漂移的恶化

― 与校准相关的不确定性增加（在待讨论的混合介质场景中会加剧）

光学系统本身可能会引入额外的不确定性项，包括光功率稳定性、光连接的可重复性和漂移以及偏置稳定性（EO或OE组件）。 

用于去嵌入过程的初级转换器的特性也存在不确定性（通常可追溯到国家计量研究所）。通常，这始于上一节讨论的EOS过程，不确定性包括失配校正的残差、有限带宽和去嵌入步骤中的缺陷。图6显示了示例特征曲线和不确定性限值。这些不确定性的结合可以遵循几种既定做法之一，并可以更好地理解不同项何时占主导地位。

图6 OE（光电二极管）器件的主要（基于EOS）特征以及不确定性上限和下限的示例

五、测量示例

一个简单的例子是表征145 GHz的EO调制器。在这个频率范围内有一个以EOS为特征的光电二极管，EOS数据将用于去嵌入。首先，使用0.8mm同轴校准套件校准VNA（安立ME7838D）。我们预计较高信号电平的传输不确定性为0.1-0.2 dB，该仪器的噪声基底在大部分频率范围内为-100至-110 dBm。在这种情况下，与图6不同，光电二极管表征的不确定性在30 GHz以下最高（低端增加到1 dB），在较高频率下平均为0.4 dB。

结合这些不确定性项，可以得出如图7所示的图。由于VNA噪声基底的影响和对光功率的依赖性，x轴在探测器信号电平方面。对于探测器中3 dBm光功率的这些测量，考虑到所涉及的响应率和-10 dBm的射频驱动，接收电平不会低于-50 dBm。在高频下，重复性和VNA校准残差往往占主导地位，而在低频下，初始光电二极管表征更为重要。

图7 用于提取145 GHz EO响应的计算不确定度曲线。这包括VNA测量、OE表征、光学设置和可重复性方面的不确定性项

复合响应和去嵌入后的结果如图8所示。这两种响应在低频下都归一化为0 dB。在这种情况下，去嵌入在约130 GHz以下只有适度的影响，表明EO滚降在复合测量中占主导地位。在较高频率下，OE光电二极管自身具有更多的滚降（根据表征），因此提取的EO响应显示出更多的差异。对应的眼睛（具有与图1类似的设置，但具有不同的归一化）如图9所示，仅用于EO。可以看到，与图1相比，眼宽度有所减小，这是对这种损失情况的预期。

在较高的数据速率下，有时光学组件的带宽特性会有所贡献。一个例子是保偏光纤，其中光载波上的两个射频调制边带可能会看到不同的相位速度，并且这种差异随着调制速率的增加而增加。当这些边带在（非线性）光电探测过程中重新组合时，相位差可以转换为振幅差。光纤色散的变化可能伴随着连接过程、施加的机械应力的变化或看似无害的光纤替代。图10显示了一个示例，显示了射频带宽的变化。

图8 示例复合EO-OE响应以及去嵌入的EO结果为145 GHz

图9 将56 Gbaud/s PAM4信号输入145 GHz系统，计算出图8中EO的眼图响应

图10 一个示例显示了光纤偏振色散的变化如何导致提取的EO器件响应中的感知带宽变化

六、混合介质造成的复杂度

随着光学系统集成水平的提高（包括硅光子学的流行领域），这种类型的测量通常包括混合介质（例如，一个端口在晶圆上探测，另一个端口可以是固定的或同轴的）。这种设置的草图如图11a所示。不仅光学工程更复杂，毫米波校准和去嵌入也更具挑战性，可能会增加不确定性。

关于如何执行网络分析校准，有几个选项：

（1） 在晶圆上执行VNA校准，然后嵌入探针或夹具臂的特性（图11b）。这可以利用在毫米波范围内相对容易理解的标准晶圆上校准方法。存在一些问题（例如，晶圆/基板上的高阶模式传播、与附近金属化结构的耦合……），但几何形状至少得到了控制。表征探针/夹具臂至关重要，这个网络提取问题已经得到了广泛的讨论。不确定性通常随着频率的增加而增加。

（2） 同轴进行VNA校准并拆下探针（见图11c）。在适度的毫米波频率下（例如，到150 GHz），由于存在特征良好的同轴校准套件，这可能更简单。探针表征挑战依然存在。 

（3） 执行混合校准，其中两个基础校准（例如，晶圆上校准和同轴校准）与使用单个往复式器件（通常是探针）相结合。见图11d。这里，来自两个基准校准的误差系数的一部分与倒数处理步骤相结合，以在所需的参考平面上形成校准。这通常是一个较长的过程，执行起来可能很复杂。它确实避免了需要单独的探针表征（或从其他来源了解探针的特性）。

所有这些方法都增加了VNA的不确定性，理想的选择可能取决于设置的机械细节（例如，拆卸每个探针或夹具臂的难度）。在100 GHz以上，这些额外的步骤可能会增加十分之几dB或更多的净不确定性。从电气角度来看，不同连接的可重复性是一个因素，EO和OE设备的不匹配也是一个因素（即，对于更不匹配的设备，可重复性和校准不确定性可能会产生更大的影响，因此可能需要对该端口更加小心）。

图11 一个光转换器使用与另一个不同的射频介质连接的情况（图11a）。有许多不同的VNA校准方法可以处理这个问题（图11b-d）。

七、结论

增加光链路上直接调制带宽的愿望有助于推动使用宽带网络分析仪和宽带主设备测量的光转换器（和相关设备）的更高频率表征方法。在这些更高的频率下，不确定性增加，主导项可能会发生变化，新的项可能会出现。随着对这些频率的集成需求越来越大，测量介质也会发生变化，可能需要修改校准和去嵌入策略。