前言
DWDM是目前光纤通讯中，用来进行经济有效的数据传输的首选方式，可藉由提高网络速度、缩小信道宽度、或两种都使用的方法来满足日益增加的频宽需求。
随着网络拓展到10 Gbps、甚至更快的速度，只测试光纤组件的损耗显然是不够的，必须再精确地量测出色散的特性。所有的组件都必须达到四种参数的严格要求：注入损耗（Insertion Loss）、极化相依损耗（Polarization Dependent Loss）、群组延迟（Group Delay）、以及差动群组延迟（Differential Group Delay）。对光纤光栅、AWG和塞取模块（add-drop module）等窄频的组件，以及在10 Gbps或更高速度下运作的网络而言，测试所有参数的能力是最重要的需求。到目前为止，损耗和色散量测一直被视为分开的两件事，以个别的解决方案来因应。
在这篇文章中，我们将提出一种新的方法，可以同等重要的方式，精确地同时量测出所有相关组件参数的特性，而不会有大小之分或是偏重在单一个参数上。此外，最新的研究指出，如果运用目前最广为采用的方法来量测窄信道组件的色散特性的话，可能会遭遇到效能上的限制，这些限制可运用interferometric设置方式来克服，特别是Swept Homodyne Interferometry。为了要妥善地量测出损耗与色散两种特性，所提出的新方法结合了一部低输出噪声的可调式雷射光源来进行损耗量测，以及一部interferometer来量测色散特性。我们接下来会提出及说明实际的实验结果。
“全参数测试”的必要性
所有经过调变的信号至少都会散开到与加入的调变频率本身一样宽的频率范围（波长范围）（请参见图1），因此，用来量测组件特性的参数测试必须要考虑一段波长范围，而不能仅针对某个特定的波长。
随着网络拓展到10 Gbps、甚至更快的速度，不只信号的损耗很重要，信号动作时的特性也很重要。根据经验法则，系统的延迟（或色散）若为一个位周期（对40 Gbps来说就是25 ps）的10分之1是可以接受的（在此例中为2.5 ps），但如果系统中含有很多个组件的话，每个个别组件的延迟就必须比此值小很多。今天，所有的组件都必须达到IL、PDL、GD和DGD参数的严格要求，如果组件在这四个参数中有任何一个无法达到规格要求的话，可能会造成系统效能不佳，甚至导致系统失效。
到目前为止，损耗和延迟（色散）量测一直被视为分开的两件事，以个别的解决方案来因应，或是使用仅针对单一个参数做最佳化设计的方法来测试[3]。显然地，测试仪器需要做一些调整，才能因应测试需求的改变。电子量测仪器必须要以同等重要的方式来精确地量测出所有相关组件参数的特性，而不可有大小之分或只偏重在单一个参数上。为了要达到降低上述测试成本的要求，所做的测试要尽可能地准确，因此需要设计出新的测试方法，以便透过单一连结将测试的不确定度降到最低。
在开发和生产光纤被动组件和模块，例如光纤光栅、AWG和塞取模块，特别是在10 Gb和40 Gb速度下运作的，以及窄频组件时（我们或许可将这些统称为“先进光组件”），具备测试所有参数的能力是非常重要的。一个需要进行所有参数测试的典型组件是Fiber Bragg Grating（FBG）：就损耗而言，Fiber Bragg Grating可设计成具有很高的损耗动态范围和很低的内部PDL；就色散而言，光栅可用来取出（drop）一个通道，因此需要在波长范围内有平坦的色散分布，或是需要利用一个chirp设计来精确地补偿掉波长相依的色散。
一种创新的方法
这篇文章将介绍一种新的方法，不但可以测试所有的参数，同时也将现代DWDM组件的需求考虑进去。若以上述的布拉格光栅的测试需求为目标，其测试设置应该要能：
 精确地量测出穿透和反射模式的损耗和色散
 具有很高的损耗量测动态范围
 精确地量测出诸如GD ripple等细微的色散特性
此外，最新的研究指出，如果运用目前最广为采用的方法来量测窄信道组件的色散特性的话，可能会遭遇到效能上的限制，这些限制可运用interferometer来克服，特别是Swept Homodyne Interferometry [3、4]。为了要妥善地量测出损耗与色散两种特性，我们提出的测试设置方法结合了一部低输出噪声的可调式雷射光源来进行损耗量测[5、6]，以及一部interferometer来进行高分辨率的色散特性量测。
在所谓的“Swept Homodyne Interferometry”（SHI）中，雷射光源是以波长来调整的，而interferometer的臂长则维持固定（请参见图2）。其中一个量测臂会包含待测组件（DUT），另一个则用来做为参考点。光信号会被合起来，并透过二极管来侦测其条纹图形（fringe pattern）。测试设置本身不需要任何移动的零件。
实验的结果将得出类似 的interferometer图形，可以在检测器的平面上观察到。其中，ELO代表本地振荡器，Edut是通过DUT的场振幅（field amplitude），代表光的频率，DUT的相位信息可利用数学的方法抽离出来，然后转换成GD。
运用Swept Homodyne Interferometry的原因之一是，量测色散时可以得到较高的频谱分辨率。直到最近，调变移相法（MPS）一直是量测色散的标准方法[3]，这种方法会用到两个经过sinus调变的信号，让它们先通过一个包含DUT的路径以及一个电子参考路径，再从两个信号的延迟得出色散信息。经过调变的结果是旁模（side mode）会使得信号的频谱变宽，如果待测组件的色散特性变动大小与调变信号的频宽相当时，可能会无法精确地解析出较细微的部分，如图3所示。这种现象可能是出现了GD ripple或出现在滤波器通带的边缘，在此情况下，使用interferometer有时可以协助解析出所有的细节。
任何一种色散测试方法都有其优点和限制，举例来说，Swept Homodyne Interferometry并不适合用来量测光纤等长距离的装置，但用在窄频组件上却再合适不过了，用在宽频组件的测试上也能发挥其优点。
损耗的量测原理
如果在图2所示的测试设置中加入耦合器的话，可以将部分的信号导到功率表中，如此一来就可以用很高的准确度和最高的动态范围来量测损耗了，而这些能力全来自于具有低输出噪声的现代化可调式雷射光源、高感度的功率表、以及适当的软件驱动程序[1、5、6]，这个方法现在已经成为可以接受的业界标准了。所有的极化控制器都会运用Mueller-Stokes方法来找出极化相依损耗（PDL）的特性[1、2、3]，也会用来找出GD的极化相依性。（有关损耗和极化相依损耗（PDL），以及GD和DGD的定义和物理起源的详细说明，请参考本文后面所列的相关参考数据[1、2、3]。）
色散的量测原理
由于所有的光波信号都是以整组的方式行进的，而且都不是在单一个频率下，因此GD，，是我们感兴趣的参数。GD与相位延迟有密切的关系，需要将频谱中的邻近信号列入考虑[3]，因此GD也是相位如何随波长（在非常小的波长刻度下）改变而改变的现象。GD的量测单位是时间，通常是以兆分之几秒（ps）来计算。GD可以利用 公式从相位延迟计算得出。有时也会使用色散（CD）来量测组件的特性，CD是描述GD相对于波长的斜率[3]，一般是以ps/nm为量测单位。
从目前的测试设置中，可以达到的量测准确度分别为：低于50fs（GD）、100fs（DGD）、以及35mdB（损耗和PDL）。我们正朝着将残余噪声效应降到最低的方向努力，GD和DGD应该可以得到解析频宽为1 pm的精确量测结果。
量测范例
我们选择Fiber Bragg Grating（FBG）做为代表性的待测组件。图6和图7是在反射和穿透模式下，non-apodize的非对称性FBG的损耗量测结果。此光栅周期（grating period）显现出轻微的极化相依性，造成主要状态的损耗频谱间出现了几个pm的偏移，在PDL图上以尖锐的结构出现。损耗值是将极化解析量测的结果平均计算后得出的[3]。
量测相位时，可调式雷射光源的扫描速度设为40 nm/sec，单次扫描的量测时间（含数值分析的时间）大约在几秒的范围内。将个别的轨迹加以平均化可用来提高SNR，此处提出的结果是10次量测的平均值，运用sliding spectral window（频宽β）还可以进一步降低噪声底线。虽然可以将频宽调整为频谱的形状，让信号的影响降到最低，但是比标准相位调变方法的回旋核心小得多的数值已经可以得到不错的结果了。
在穿透模式下的GD频谱具有平滑的频谱特性（请参见图8），光栅的穿透模式也显现出双折射和DGD特性。提高频宽也可以用来改善SNR，这里只需要50 pm的频宽就足以解析出光栅的频谱相位特性了。
光栅周期的双折射也会导致GD频谱的偏移，GD的峰值点会出现一个很尖的双凹DGD结构，在中心位置的最低点，两个PSP的GD值完全相等（请参见图9）。为了解析出这些细微的DGD结构，我们将数据分辨率和设定在1 pm。
结语
在这篇文章中，我们探讨了DWDM组件的“全参数测试”的必要性，“全参数测试”代表的是：不仅要精确地测试组件的损耗特性，也要测试色散的特性。为了要妥善地量测出损耗与色散两种特性，我们探讨的新方法结合了一部低输出噪声的可调式雷射光源来进行损耗量测，以及一部interferometer来量测色散特性。这个新方法实际上已经透过上面提出和讨论的实验结果加以证实了.
DWDM是目前光纤通讯中，用来进行经济有效的数据传输的首选方式，可藉由提高网络速度、缩小信道宽度、或两种都使用的方法来满足日益增加的频宽需求。
随着网络拓展到10 Gbps、甚至更快的速度，只测试光纤组件的损耗显然是不够的，必须再精确地量测出色散的特性。所有的组件都必须达到四种参数的严格要求：注入损耗（Insertion Loss）、极化相依损耗（Polarization Dependent Loss）、群组延迟（Group Delay）、以及差动群组延迟（Differential Group Delay）。对光纤光栅、AWG和塞取模块（add-drop module）等窄频的组件，以及在10 Gbps或更高速度下运作的网络而言，测试所有参数的能力是最重要的需求。到目前为止，损耗和色散量测一直被视为分开的两件事，以个别的解决方案来因应。
在这篇文章中，我们将提出一种新的方法，可以同等重要的方式，精确地同时量测出所有相关组件参数的特性，而不会有大小之分或是偏重在单一个参数上。此外，最新的研究指出，如果运用目前最广为采用的方法来量测窄信道组件的色散特性的话，可能会遭遇到效能上的限制，这些限制可运用interferometric设置方式来克服，特别是Swept Homodyne Interferometry。为了要妥善地量测出损耗与色散两种特性，所提出的新方法结合了一部低输出噪声的可调式雷射光源来进行损耗量测，以及一部interferometer来量测色散特性。我们接下来会提出及说明实际的实验结果。
“全参数测试”的必要性
所有经过调变的信号至少都会散开到与加入的调变频率本身一样宽的频率范围（波长范围）（请参见图1），因此，用来量测组件特性的参数测试必须要考虑一段波长范围，而不能仅针对某个特定的波长。
随着网络拓展到10 Gbps、甚至更快的速度，不只信号的损耗很重要，信号动作时的特性也很重要。根据经验法则，系统的延迟（或色散）若为一个位周期（对40 Gbps来说就是25 ps）的10分之1是可以接受的（在此例中为2.5 ps），但如果系统中含有很多个组件的话，每个个别组件的延迟就必须比此值小很多。今天，所有的组件都必须达到IL、PDL、GD和DGD参数的严格要求，如果组件在这四个参数中有任何一个无法达到规格要求的话，可能会造成系统效能不佳，甚至导致系统失效。
到目前为止，损耗和延迟（色散）量测一直被视为分开的两件事，以个别的解决方案来因应，或是使用仅针对单一个参数做最佳化设计的方法来测试[3]。显然地，测试仪器需要做一些调整，才能因应测试需求的改变。电子量测仪器必须要以同等重要的方式来精确地量测出所有相关组件参数的特性，而不可有大小之分或只偏重在单一个参数上。为了要达到降低上述测试成本的要求，所做的测试要尽可能地准确，因此需要设计出新的测试方法，以便透过单一连结将测试的不确定度降到最低。
在开发和生产光纤被动组件和模块，例如光纤光栅、AWG和塞取模块，特别是在10 Gb和40 Gb速度下运作的，以及窄频组件时（我们或许可将这些统称为“先进光组件”），具备测试所有参数的能力是非常重要的。一个需要进行所有参数测试的典型组件是Fiber Bragg Grating（FBG）：就损耗而言，Fiber Bragg Grating可设计成具有很高的损耗动态范围和很低的内部PDL；就色散而言，光栅可用来取出（drop）一个通道，因此需要在波长范围内有平坦的色散分布，或是需要利用一个chirp设计来精确地补偿掉波长相依的色散。
一种创新的方法
这篇文章将介绍一种新的方法，不但可以测试所有的参数，同时也将现代DWDM组件的需求考虑进去。若以上述的布拉格光栅的测试需求为目标，其测试设置应该要能：
 精确地量测出穿透和反射模式的损耗和色散
 具有很高的损耗量测动态范围
 精确地量测出诸如GD ripple等细微的色散特性
此外，最新的研究指出，如果运用目前最广为采用的方法来量测窄信道组件的色散特性的话，可能会遭遇到效能上的限制，这些限制可运用interferometer来克服，特别是Swept Homodyne Interferometry [3、4]。为了要妥善地量测出损耗与色散两种特性，我们提出的测试设置方法结合了一部低输出噪声的可调式雷射光源来进行损耗量测[5、6]，以及一部interferometer来进行高分辨率的色散特性量测。
在所谓的“Swept Homodyne Interferometry”（SHI）中，雷射光源是以波长来调整的，而interferometer的臂长则维持固定（请参见图2）。其中一个量测臂会包含待测组件（DUT），另一个则用来做为参考点。光信号会被合起来，并透过二极管来侦测其条纹图形（fringe pattern）。测试设置本身不需要任何移动的零件。
实验的结果将得出类似 的interferometer图形，可以在检测器的平面上观察到。其中，ELO代表本地振荡器，Edut是通过DUT的场振幅（field amplitude），代表光的频率，DUT的相位信息可利用数学的方法抽离出来，然后转换成GD。
运用Swept Homodyne Interferometry的原因之一是，量测色散时可以得到较高的频谱分辨率。直到最近，调变移相法（MPS）一直是量测色散的标准方法[3]，这种方法会用到两个经过sinus调变的信号，让它们先通过一个包含DUT的路径以及一个电子参考路径，再从两个信号的延迟得出色散信息。经过调变的结果是旁模（side mode）会使得信号的频谱变宽，如果待测组件的色散特性变动大小与调变信号的频宽相当时，可能会无法精确地解析出较细微的部分，如图3所示。这种现象可能是出现了GD ripple或出现在滤波器通带的边缘，在此情况下，使用interferometer有时可以协助解析出所有的细节。
任何一种色散测试方法都有其优点和限制，举例来说，Swept Homodyne Interferometry并不适合用来量测光纤等长距离的装置，但用在窄频组件上却再合适不过了，用在宽频组件的测试上也能发挥其优点。
损耗的量测原理
如果在图2所示的测试设置中加入耦合器的话，可以将部分的信号导到功率表中，如此一来就可以用很高的准确度和最高的动态范围来量测损耗了，而这些能力全来自于具有低输出噪声的现代化可调式雷射光源、高感度的功率表、以及适当的软件驱动程序[1、5、6]，这个方法现在已经成为可以接受的业界标准了。所有的极化控制器都会运用Mueller-Stokes方法来找出极化相依损耗（PDL）的特性[1、2、3]，也会用来找出GD的极化相依性。（有关损耗和极化相依损耗（PDL），以及GD和DGD的定义和物理起源的详细说明，请参考本文后面所列的相关参考数据[1、2、3]。）
色散的量测原理
由于所有的光波信号都是以整组的方式行进的，而且都不是在单一个频率下，因此GD，，是我们感兴趣的参数。GD与相位延迟有密切的关系，需要将频谱中的邻近信号列入考虑[3]，因此GD也是相位如何随波长（在非常小的波长刻度下）改变而改变的现象。GD的量测单位是时间，通常是以兆分之几秒（ps）来计算。GD可以利用 公式从相位延迟计算得出。有时也会使用色散（CD）来量测组件的特性，CD是描述GD相对于波长的斜率[3]，一般是以ps/nm为量测单位。
从目前的测试设置中，可以达到的量测准确度分别为：低于50fs（GD）、100fs（DGD）、以及35mdB（损耗和PDL）。我们正朝着将残余噪声效应降到最低的方向努力，GD和DGD应该可以得到解析频宽为1 pm的精确量测结果。
量测范例
我们选择Fiber Bragg Grating（FBG）做为代表性的待测组件。图6和图7是在反射和穿透模式下，non-apodize的非对称性FBG的损耗量测结果。此光栅周期（grating period）显现出轻微的极化相依性，造成主要状态的损耗频谱间出现了几个pm的偏移，在PDL图上以尖锐的结构出现。损耗值是将极化解析量测的结果平均计算后得出的[3]。
量测相位时，可调式雷射光源的扫描速度设为40 nm/sec，单次扫描的量测时间（含数值分析的时间）大约在几秒的范围内。将个别的轨迹加以平均化可用来提高SNR，此处提出的结果是10次量测的平均值，运用sliding spectral window（频宽β）还可以进一步降低噪声底线。虽然可以将频宽调整为频谱的形状，让信号的影响降到最低，但是比标准相位调变方法的回旋核心小得多的数值已经可以得到不错的结果了。
在穿透模式下的GD频谱具有平滑的频谱特性（请参见图8），光栅的穿透模式也显现出双折射和DGD特性。提高频宽也可以用来改善SNR，这里只需要50 pm的频宽就足以解析出光栅的频谱相位特性了。
光栅周期的双折射也会导致GD频谱的偏移，GD的峰值点会出现一个很尖的双凹DGD结构，在中心位置的最低点，两个PSP的GD值完全相等（请参见图9）。为了解析出这些细微的DGD结构，我们将数据分辨率和设定在1 pm。
结语
在这篇文章中，我们探讨了DWDM组件的“全参数测试”的必要性，“全参数测试”代表的是：不仅要精确地测试组件的损耗特性，也要测试色散的特性。为了要妥善地量测出损耗与色散两种特性，我们探讨的新方法结合了一部低输出噪声的可调式雷射光源来进行损耗量测，以及一部interferometer来量测色散特性。这个新方法实际上已经透过上面提出和讨论的实验结果加以证实了.
