直调激光器芯片频域参数测试系统设计

直调激光器芯片频域参数测试系统设计

宁欣，周童翔

（中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛，266555）

摘要：直调激光器芯片的带宽、相位、群时延等频域参数是衡量直调激光器芯片性能的重要评价指标，鉴于其重要性，研究了直调激光器芯片频域参数测试方法，设计了一种基于光波元件分析仪的直调激光器芯片频域参数测试系统，并利用仪器提供的SCPI指令集，实现了直调激光器芯片的自动化测试。在10MHz~26.5GHz范围内对直调激光器芯片的频域参数进行了测试，实验结果表明，该方法测量结果与出厂数据一致性较好，是一种高效高精度的直调激光器芯片频域参数测试方法。

关键词：芯片；光波元件分析仪；频域；带宽；自动测试

Design of frequency domain parameter test system for direct modulated laser chips

Xin Ning, Tongxiang Zhou

(Ceyear Technologies Co.,Ltd, Qingdao, Shandong, 266555)

Abstract: Frequency domain parameters such as bandwidth, phase, and group delay are important evaluation indexes to measure the performance of the direct modulated laser chip. In view of their importance, lots test methods of the frequency domain parameters of the direct modulated chip is studied, and a test system of the frequency domain parameters of the direct modulated laser chip is designed based on the light-wave component analyzer (LCA). Also, the automatic test of the direct modulated laser chip is realized. The frequency domain parameters of the direct modulated laser chip were tested in the range of 10MHz to 26.5GHz, the experimental shows that the measurement results of this method are in good agreement with the factory data, and it is an efficient and high precision measurement method for the frequency domain parameters of the direct modulated laser chip.

Keywords: chip, light-wave component analyzer, frequency domain, bandwidth, automatic test

1 引言

光电集成电路技术[1,2]的发展促使高速光纤通信系统传输速率不断提高，系统的传输速率由10Gbps、25Gbps提升到400Gbps以上，在高速光纤通信系统中，直调激光器芯片作为直调激光器的封装载体，其频域性能直接决定了直调激光器的性能，进而影响信号的传输质量，对系统性能评估起着至关重要的作用[3]。

随着测试需求的不断增加，各种频响参数测试方法不断涌现。包括频谱法[4]、直接扣除法[5]、光外差法[6]、自发辐射法[7]等。上述方法中，频谱法是基于光脉冲和示波器的时域测量方法，测量校准难度较大，光外差法无法获取被测器件的相频特性，自发辐射法的缺点是测试动态范围较小、信噪比较低。随着光电矢量网络分析技术的不断发展，基于光波元件分析仪（Light-wave Component Analyzer, LCA）的直调激光器芯片测试已成为主流测试方法。

本文分析了光波元件分析仪的原理，基于光波元件分析仪的功能，形成了直调激光器芯片频域参数测试解决方案，并利用仪器提供的SCPI指令集，实现了由光波元件分析仪、高频探针、探针台、测量控制软件构成的直调激光器芯片自动测试系统。

2 光波元件分析仪原理

光波元件分析仪由微波模块和光波模块组成，微波模块用于产生微波激励信号及微波信号的幅相频接收，光波模块中的电光转换模块用于产生调制光载波信号，光电转换模块用于实现信号的光电转换

[8]。光波元件分析仪采用一体集成的设计方案，通过宽带硬件优化设计，构建整机的网络误差模型，利用核心校准算法，可实现带宽、幅频响应、相频响应、群时延等频域参数的一键式快速扫频测试。

图1 光波元件分析仪原理图

3 基于光波元件分析仪的直调激光器芯片测试解决方案

现有的直调激光器芯片测试方案采用分立仪器搭建测试系统，图2所示利用信号发生器、驱动电源、光衰减器、光电探测器、频谱分析仪、探针台及计算控制处理单元等分立仪器搭建的直调激光器芯片测试方案，该方案虽能实现对芯片的频域参数测试，但存在集成度差、校准困难、测量误差大、操作复杂、测试效率低等问题，无法满足直调激光器芯片的高效高精度的测试需求。

图2 分立仪器搭建的测试系统

本文在研究光波元件分析仪的原理和功能的基础上，提出了一种基于光波元件分析仪的直调激光器芯片测试解决方案。测试系统如图3所示。

图3 直接调制激光器芯片测试系统示意图

该方案中，光波元件分析仪的射频输出端口通过射频电缆连接到由探针台夹持的射频探针，激光器芯片在微波激励信号和驱动电源的作用下，产生光信号，光信号耦合到光探针，最终信号输入到光波元件分析仪的光波接收端口，通过光波元件分析仪的扫频，完成芯片的测试。该方案具有系统集成度高、校准精度高、测量精度高等优点，可实现直调激光器芯片的高精度测试。

4 自动测试系统设计

基于光波元件分析仪和仪器自带的SCPI程控指令，利用高频探针、探针台等设备及测量控制软件，本论文设计并实现了直调激光器芯片频域参数自动测试系统。测试系统如图4所示。

图4  直调激光器芯片频域参数自动测试系统示意图

SCPI命令分为设置指令、测量指令、查询指令三大类，光波元件分析仪根据收到的命令来执行相应的操作。PC程控机的测量控制软件通过LAN程控接口分别向驱动电源、温控箱及光波元件分析仪发送指令以改变被测件的测量环境、控制测量仪器参数。通过设置指令、测量指令、查询指令间的有序配合，能够使程控机得到不同测量条件下的测试数据，SCPI指令执行流程如图5所示。

5 测试结果分析

通过程控驱动电源与温控箱可获得不同电流、温度组合下的直调激光器芯片的带宽等频域参数。

图5  SCPI指令执行流程

在程控上位机设定2次测量，测试条件组合为“50mA，20℃”和“50mA，70℃”。以300MHz为参考点的直调激光器芯片的3dB带宽测量结果如下图6所示，电流为50mA，温度为20℃时3dB带宽为20.89GHz，温度为70℃时3dB带宽为15.60GHz，上述测试数据与直调激光器芯片的出厂数据相吻合。

图6  同电流不同温度测量结果对比图

在程控上位机设定2次测量，测试条件组合为“50℃，40mA”和“50℃，60mA”。以300MHz为参考点的直调激光器芯片的3dB带宽测量结果如下图7所示，温度为50℃，电流为40mA时，3dB带宽为16.65GHz，电流为60mA时，3dB带宽为21.27GHz，测试数据与直调激光器芯片的出厂数据相吻合。

图7  同温度不同电流测量结果对比图

6 结论

光波元件分析仪是应用范围较广的光电芯片、器件及模块的频域参数测试仪器，该仪器集成度高、操作性强，未来将成为主流的光电测试仪器，本论文分析了光波元件分析的基本原理，提出了一种基于光波元件分析仪的直调激光器芯片频域参数测试解决方案，并利用仪器自带的SCPI程控指令，设计并实现了直调激光器芯片频域参数自动测试系统，试验结果表明，该系统可实现直调激光器芯片的高效、高精度的自动化测试，后续研究中，将研究光波元件分析仪在光电探测器芯片测试中的应用，不断拓宽光波元件分析仪的测试领域。

参考文献

[1]Wake D, Nkansah A, Gomes N J. Radio over fiber link design for next generation wireless systems[J]. Journal of Lightwave Technology, 2010, 28(16): 2456-2464.

[2]ABDALLAH Z, RUMEAU A, FERNANDEZ A, et al. Nonlinear equivalent-circuit modeling of a fast photodiode[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2014, 26(18): 1840-1842.

[3]LAUERMANN M, PALMER R，KOEBER S, et al. Low-power silicon-organic hybrid (SOH) modulators for advanced modulation formats [J]. Optics Express. 2014, 22(24):29927.

[4]P. D. Hale, T. S. Clement, D. F. Williams, et al. Measuring The Frequency Response of Gigabit Chip Photodiodes [J], IEEE J. Lightwave Teehnol., 2001, 19(9),1333-1339.

[5]刘戬, 胡永红, 张尚剑, 等. 直接扣除法测量半导体光放大器频率响应[J]. 光学学报, 2007, 27(5):871-874.

[6]朱兴邦, 刘超, 费丰, 等. 基于光外差法的宽带示波器滤波器频响测试技术研究[J]. 宇航计量技术, 2015, 35(1): 10-13.

[7]Elliot Eichen, John Schlafer, William Rideout, et al. Wide-Bandwidth Receiver Photo-detector Frequency Response Measurements Using Amplified Spontaneous Emission from A Semiconductor Optical Amplifier [J], IEEE J. Lightwave Technol., 1990, 1(8): 912-916.

[8]Hale P D., Williams D. F. Calibrated measurement of optoelectronic Frequency response [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2003, 51(4):1422-1429