在上一期，我們介紹了光纖通訊中關鍵被動元件相關的工作原理及架構，但為了深入了解元件的特性、製程改進及出規格報告，我們必須量測某些參數，進而對元件作特性的分析，以利品質的驗證，接下來，我們針對這些元件的量測參數作進一步的定義。

詳細量測參數定義

以較高階的分波多工器為例，解釋各種常見參數的定義，其中某些參數會因不同規範而有些許不同，但其原理是相近的，而常用橫軸為波長、縱軸為能量座標的波形來表示，而一個完整的分析圖中，同一個座標中就應包含插入、反射及偏極化損失，(圖一)是多通道濾波器在光譜分析儀中所顯現的示意圖，其目的是要使某些波段的光源能依照需要通過或阻絕，通過的波段範圍稱為帶通波段（Pass Band），阻絕或截止的部分我們稱為阻絕波段（Stop Band），在量測上不外乎能量與波長是否滿足ITU（International Telecommunication Union）的規範或客戶自訂的標準。而對於失真部分的分析，相對較複雜，所用到的測試設備也相對較昂貴，一般無法利用在生產線上作自動化，但在研發及除錯階段卻是必備的，而在波長－時間的座標上就包含色散、偏極化模態失真，本文也會一併介紹相關量測原理。

《圖一　分波多工器量測參數示意圖，其中橫軸為波長，縱軸為能量》

我們先以單一通道的濾波器為基礎作介紹，首先需要知道其中心波長為多少，一般定義是找到波形的峰值能量（Peak power）下降0.5或3dB的點找到右側點與左側點的值，兩者相加除以二即可得到中心波長值（Center Wavelength；CW），如(圖二)所示。若為DWDM的系統中，則要精確的知道ITU的通道與中心波長差異值為多少nm，另外也同時會量測ITU通道上以及峰值（Peak）能量的插入損失值為若干dB。因為在主動元件端也會遵守ITU的規範，因此若中心波長的飄移就會造成能量的耗損，而這三者未必都在同一個波長上，因此插入損失的測量值上要做精確的標示，如(圖三)所示。

《圖二　一般中心波長的定義》

《圖三　同一波形在不同的中心波長定義模式下其值相對不同》

接下來是對波寬作一定義，它主要是以中心波長（或參考波長及能量值）往下降若干dB後得到左右兩側的點，從兩者的橫軸中差值得到波寬，如(圖四)所示，表示方式為若干dB BW（Bandwidth），一般常用0.5dB、1dB、3dB、20dB、30dB及40dB的點來表示，其中前三者為帶通波段的波寬值，而後三者為阻絕波段的波寬值，在帶通波段上，我們希望在相鄰通道中能夠寬到某一標準，以DWDM、100GHz通道間距的系統為例，各通道間距離為0.8nm，這時會希望0.5dB的波寬中能有某個程度上的寬度，也就是不要讓波形顯得太尖銳。舉例來說，主動元件上的雷射載上10Gbps的數位編碼調變信號（如ASK、FSK Amplitude, Frequency Shift Keying），這時展開在光譜中的波形就有旁波帶（Side Band）的情形，以簡單的sinx/x的10GHz方波來估計，兩邊加總後的旁波帶至少就會達到20GHz，換算成波長就是0.16nm，加上雷射本身或調變模組（Modulator）產生的頻擾（Chirp）效應使雷射中心波長飄移，假設為0.01nm，這時就會有0.16＋0.01＝0.17nm的誤差值，這表示若中心頻寬的寬度過小，旁波帶的插入損失過大，在通信品質上就會產生失真的現象，因此，若用在40Gbps的調變系統上難度則更高。另外，在阻絕通道方面，主要是考量本通道信號對其他相鄰通道影響的程度，對相鄰通道影響程度愈低愈佳，因此在阻絕通道波寬愈接近帶通波寬大小，表示隔離度愈好，這裡必須提醒的是，波寬會隨中心波長來作定義，因此當參考的中心波長不同時其相對應的寬度也會有所不同，至於詳細規格方面將依使用者及產業而定。

《圖四　若干dB波寬定義的示意圖》

《圖五　在帶通波段上漣波定義的示意圖》

《圖五　在帶通波段上漣波定義的示意圖》

接著是對多通道下的多工模組參數來定義串音（Cross Talk）參數，所謂的串音，就是干擾其他通道信號的程度，以三個工作通道（λn、λm、λr）為例說明，如(圖六)，λn為主要工作波段，λm為緊鄰通道，而λr則為非緊鄰通道，因此串音又分為相鄰通道（Adjacent Channel）及非相鄰通道（Non-adjacent Channel）兩種，前者定義是在λn通道內的波寬中找出一個插入損失大小Y1，當此濾波器波形延伸到相鄰通道λm時，再找出λm工作波段中最小的插入損失Y2，而Y1、Y2的差值即為串音，單位以dB來表示。至於後者的算法與前者相似，亦即λn通道中最大插入損失與同一波形在λr通道的最小插入損失之差，亦即Y1-Y3。此外，在高階濾波器如陣列波導中，波形會因極化狀態不同而會有（見後說明），在較嚴格的定義中，會找出所有偏極狀態下的波形來定義串音，從而估計出通訊系統中最差的狀態。

此外，在多個通道下會分析全部波形的插入損失一致性（Loss Uniformity），例如使用薄膜濾片的多工器中，波長的分工是藉由不同的濾片經過一連串的穿透及反射來做選擇，因此每個通道在工作波段中的插入損失值並不相同，這會影響主動元件接收端靈敏度（Sensitivity）的問題，而一致性就是估計各通道插入損失的差異性，其定義為模組中各波形在各個工作波段下，最大與最小插入損失的峰對峰值之差，單位以dB做表示。

而對於反射參數方面，大部分是定義出該工作波段的最小反射損失值（反射損失值愈大代表愈不易反射），用以估計當最插情況下光送出後會有多少能量反射回來。

《圖六　多工器中串音的定義，縱座標為插入損失，橫座標為相對應波長》

了解穿透、反射方面的參數後，接著考慮極化狀態造成能量的不穩定性。在實際的通訊系統中，雷射光源會隨著光纖彎曲或溫度變化而造成極化模態的改變，加上被動元件的雙折射現象會使不同極化狀態下的插入損失值不同，造成在接收端就會有能量的不確定性，並且這與波長是相關的，(圖七)左是表示在單一波長中，在不同時間下僅改變偏極狀態所量測到光能量的變化，其中峰對峰值就是所謂的偏極化損失。因此，若考慮到偏極化的影響，在做波形的掃描時，通道的波寬大小就會因偏極狀態不同而有差異，稱為PDBW（Polarization Dependent Bandwidth），另外，偏極狀態也有可能改變通道的中心波長，稱為PDC（Polarization Dependence of the Center wavelength），在10Gbps以上的高速通訊中，這樣的影響是相當大的，因偏極化就是插入損失的不確定因子，因此在較嚴謹的定義中，都應將此一因素考慮進去，而(圖八)則是加入偏極化造成的串音值。

《圖七　因入射光源波長/極化狀態不同而造成波形的改變》

《圖八　加上偏極化影響所得到的串音值》

(表一)為單一及多通道下相關的量測參數，(圖九)為一對四的解多工器波形示意圖。

《圖九　多工器量測波形及各參數示意圖》

搭配儀器作量測自動化

以較單純的能量-波長架構來作分析，有兩大類的儀器搭配量測建議方案，第一種是以光譜儀為主的架構，第二種是以可調式雷射光源為主的系統，主要探討的量測參數為插入、反射及偏極化損失三種，兩者組合下各有其優缺點，分別敘述如下：

寬波光源（BBS）＋極化光源掃描器（PS）＋光譜儀（OSA）

一般能量分波耦合器，可以使用固定的雷射光源測試其單波長穿透及反射損失，但對於濾波器而言，要看到整個波形，才能分析出在工作波段上的特性。首先，必須要有涵蓋整個濾波器操作波長範圍的光源，一般為寬波光源（Board Band Source；BBS），其中有邊射型發光二極體（Edge Emitted Light Emitting Diode；EELED）以及摻鉺光纖放大器的自發性放大光源（Amplifier Spontaneous Emission；ASE）兩種選擇，前者的好處是光源的工作波段選擇較多，使用者可以搭配兩種以上的二極體耦合共用，但缺點是二極體的能量較小，約為-20～-30dBm左右。

而另一種選擇就是ASE光源，因為它是摻鉺光纖的工作波長，因此波段約為1550nm，最大能量可以到20dBm左右，但缺點是僅有1550nm附近的波長，在S-band及L-band的波段就要找其他的光源替代。若要測量極化效應，就需要極化掃描器（Polarization Scrambling；PS）來達成，簡單來說，它就是由四個λ/4光纖環所組成，若能控制光纖環作垂直方向的轉動，依四個光纖環不同的角度就可以提供不同的極化狀態，因極化掃描器需要入射光源為極化光，因此會在光源發射端加上一線性極化片（Linear Polarizer）使入射光源成為極化光，再來就是接上光譜儀（Optical Spectrum Analyzer；OSA），來作整個波形的分析。

(圖十)為多通道系統架構圖，若要量測插入損失，則需要不接待測物先做一次參考值後再量測待測物，而兩者的對數相減值就是待測物的插入損失，若要量測PDL及相關參數，就需要啟動極化光源掃描器，經一段時間讓所有極化態出現後，在光譜儀上紀錄最大最小值後即可得PDL對應波長的參數，但需注意光譜儀是採用光柵架構的儀器，因此對極化光源較敏感，相對量測PDL也較不精確。

(圖十一)為反射損失測試架構簡圖，量測法是第一次先以已知的參考光纖作為標準紀錄入射光源波形，第二次則取下標準光纖接上待測物並加上終極端（Termination），而兩次波形的對數相減值，就是欲測的反射損失。在多通道量測上，可使用多台光譜儀同時量測，或用光切換器搭配使用，一般考量到量測成本而會使用光切換器而各個通道分開量測，使用光譜儀架構優點是速度快、量測波長範圍大及價格較便宜，且可用於量測主動元件，適合通道數較少元件及即時監控用途，但相對波長、能量精確度較差，且不適用未來擴充失真參數的量測。

《圖十　配合光切換系統搭配量測多通道插入及偏極化損失的測試架構》

《圖十一　單通道反射損失量測架構圖》

可調式雷射（TLS）＋極化控制器（PC）＋光功率計（PM）

此種系統的架構對於穿透及反射波形量測原理及架構方面，與寬波光源搭配光譜儀類似，光源端部分改採可調式雷射光（Tunable Laser Source；TLS），接收端換成光功率（Power Meter；PM），如圖(十二)所示，其差別在於偏極化參數的量測方面，建議搭配運算Muller矩陣的極化控制器（Polarization Controller；PC）。

其原理是以參考光纖先紀錄四個極化狀態的波形後，再接上待測物做同樣四個極化狀態的波形，經由數學矩陣的換算後得到雷射光源掃描波長下的PDL值（這代表必須掃描4次參考源＋4次待測物＝8次才能得到PDL值，但這種方式好處是最後可以得到所有波長下精確的偏極化損失）。

此種架構下，因可調式雷射光源波長精確度較精準，適合作高精度驗證及最後測試，此外，對多通道模組的被動元件架構上，量測速度反而會較光譜儀為快，因為光功率計並無波長選擇性，內部並無如光譜儀有昂貴的繞射光柵及窄波濾波器，因此只要控制雷射光源與光功率計同步，就可以提供多通道的量測，例如接上1對4的分波/合波多工器，吾人只需搭配四個光功率計就可以在一次掃描中同時得到四個通道的波形，如此一來，反而比光譜儀切換通道使用的方式來的更精準且有效率。

《圖十二　可調式雷射光源在多通道量測上有擴充性的優點》

《圖十三　搭配可調式雷射搭配功率計量測薄膜濾片的系統架構示意圖》

以應用層次來說，最常見的是薄膜濾片元件或整合模組的量測，(圖十三)是搭配可調雷射系統量測的架構圖，因濾波片在不同傾斜角度下的波形特性會不相同，因此搭配一個光功率計於反射端，用以監測入射光是否垂直於濾波器表面，這個架構下可以同時量測插入、反射及偏極化損失。而(圖十四)為筆者針對Agilent 8164B可調式雷射光系統及兩個光功率計模組，在Agilent VEE自動控制平台上發展的控制程式介面，同時得到兩通道的插入及反射損失波形。在未來因應更高資料傳輸速度上，失真情形的考量將愈顯重要，因此在測試平台選擇上，應考量其擴充性，並朝向整合所有量測參數於一台分析儀中，亦即同時提供IL、RL、PDL、CD、PMD的量測，並可配合電腦作自動化控制及連結資料庫作分析。

《圖十四　同時量測濾波器模組兩通道的波形〈註：待測物為UCONN CWDM 2-Channels模組，掃描40nm範圍的波段所需時間約1.9秒，取樣點為10001點，動態範圍可達到65dB〉》

色散、偏極化模態失真量測原理

相對能量在不同波長下的損失行為，失真則是考慮電磁波在相位上的變化，同一空間中，當不同的波長或頻率的電磁波通過某一段介質後，產生的相位速度（Phase Velocity）不一致會使群速度（Group Velocity）與相位速度不同，而會產生波包（Envelope）的行為，若將相位對頻率微分，就可以得到平均的失真情形，亦即群速度延遲（Group Delay），應用在光學上，就是介質為波長的函數，所造成的色散現象，更進一步分析，電磁波在電場行進方向上可以分成TE、TM兩種正交模態，理想上，這兩模態傳遞速度是一致的，但實際上卻不相同，而這兩個模態的變異性就稱為（Differential Group Delay；DGD），因與極化行為有密切關係，又稱為偏極化模態失真（Polarization Mode Dispersion；PMD）。

《圖十五　色散與偏極化模態失真示意圖，圖中橫座標為頻率，縱座標為相位》

在色散參數的量測方面，有採用微波工程常用的網路分析儀（Network Analyzer）搭配光學調變器作相位位移的偵測，經過光電的轉換，得到群速度延遲參數，如(圖十六)所示，或是使用干涉的方式量測參考源與經過待測物後的波包行為。

《圖十六　色散量測法量測儀器架構示意圖》

在圖十六中，網路分析儀內的訊號產生器產生一個電磁連續波（Continuous Wave；CW）到電光轉換的光學調變器（Modulator）上，當可調式雷射光輸入固定波長的光到調變器時，會因為折射率的快速變化，進而使調變器內部兩路光產生建設性及破壞性干涉而形成調變的訊號，而調變產生後的光訊號就輸入到待測元件端，經過光接收器將調變光訊號解調成原來的微波訊號送回網路分析儀，即圖中的A埠，而網路分析儀內部在送微波訊號時，會有一個R埠偵測實際送訊號的波形（注意A及R為向量，皆具有振幅及相位部分），則從A與R相位部分的比值，就可以得到相位差，另外從入射微波中得到調變的頻率，就可以算出相對性群速度延遲參數。

對於偏極化模態失真量測，有使用Jones矩陣的方式或干涉的方式得到，前者是經過兩個光纖環將偏極狀態調成右旋圓偏極的狀態，之後使用0、45度、90度的線性偏極片，將元件的Jones本徵矩陣算出來，當雷射光源改變波長時，就會換算出另一個矩陣，這時就可以從兩個矩陣中算出DGD，當波長一直改變，DGD就會從兩個本徵矩陣中得到，這時再經過電腦的統計，就可以在(圖十七)右下方算出PMD分布圖。

《圖十七　使用JME法量測PMD架構示意圖》

在圖十七中，使用JME法量測PMD架構示意圖，首先使用不同波長的光源入射待測物，產生不同的本徵矩陣M1M2...，再由兩個不同波長之間的矩陣推導出代表元件極化狀態的本徵極化態（Principle State of Polarization；PSP），在做一次微分後得到從M1到達M 2的群速延遲DGD，將DGD透過統計的處理，對應是否符合Maxwell's分布模型，若標準差值過大則必須增加取樣點，若標準差值不大則在產線時可減少取樣點數來增加產能，而平均值就是我們要求的PMD。

(圖十八)為兩個典型的量測範例，左方為雙折射晶體的GD及DGD示意圖，圖中群速度波形上升及下降愈陡峭，則對應的DGD值就會愈大，而在DGD最低值時，就是在TE、TM模態下的群速度是接近一致的，同理，右方的100GHz通道濾波片也有相同的現象。

《圖十八　GD、DGD量測範例》

結論

目前光被動元件的景氣不如2000年時來得好，但為了因應未來發展的需要，技術上需要更加成熟且須控制成本使價格上更具競爭力，而某些關鍵的因素是不能作犧牲的，例如人才、製程及量測設備等。舉例來說，若添購了一個堪用的量測儀器，可能在目前出貨上沒有問題，但因應未來日益複雜且嚴謹的規格上，則很容易被其他的廠商所取代，因此在考慮設備價錢的同時，並應對儀器設備的搭配、速度及產能、擴充性及是否符合目前及未來的需要，並考慮設備廠商的技術提供能力及後續的服務方面作一綜合性的評估。

（作者為台灣安捷倫科技技術顧問）

〈參考書籍︰

State of Art characterization of Optical components for DWDM Applications, 2000, Application Notes ,Agilent Tech.

Dennis Derickson, Fiber Optic Test and Measurement, 2000, Agilent Tech.

Andreas Othonos, Fiber Bragg Gratings, 1999, Artech House, Inc.

Agilent raptor 81910A Photonic All-parameter Analyzer, 2002, Application Notes, Agilent Tech.

http://www.agilent.com/cm/opticalgrp.shtml

Gunnar Stoze, Photonic Foundation Library: Enhancing Swept Loss Measurements, 2001, Application Notes ,Agilent Tech.

http://www.jdsu.com〉