肖 剛，胡 毅，楊俊麒，高萬超，孫莉萍

(武漢光迅科技股份有限公司，湖北 武漢 430205)

0 引言

光收發(fā)模塊(以下簡稱光模塊)是光通信網(wǎng)絡(luò)中物理層的核心部件之一，主要作用是光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換。光模塊可以看作是一種“標(biāo)準(zhǔn)件”，由特定的標(biāo)準(zhǔn)化組織對其進(jìn)行定義，各光模塊廠家均按標(biāo)準(zhǔn)的定義進(jìn)行開發(fā)、生產(chǎn)和測試。相對于技術(shù)已經(jīng)成熟的100 Gb/s光模塊，400 Gb/s光模塊才剛起步。

本文首先介紹400 Gb/s熱插拔光模塊的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；然后重點說明光模塊測試板的組成結(jié)構(gòu)和工作原理；最后介紹由測試板和測試設(shè)備組成的測試系統(tǒng)對光模塊光接口和電接口進(jìn)行測試的原理和方法，以及測試實例。

1 400 Gb/s熱插拔光模塊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

與400 Gb/s熱插拔光模塊緊密相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有三類。

第一類為多源協(xié)議(multi-source agreement，MSA)，定義了光模塊的機械結(jié)構(gòu)、光接口形式(連接器)和電接口形式(金手指)。支持熱插拔的400 Gb/s光模塊多源協(xié)議有三種。目前，業(yè)界普遍的共識為：CFP8[1-2]為第一代產(chǎn)品，OSFP[3]為第二代產(chǎn)品，QSFP-DD[4-5]為第三代產(chǎn)品。

第二類為IEEE 802.3系列標(biāo)準(zhǔn)，定義了光接口中的光信號和電接口中的高速差分電信號的技術(shù)指標(biāo)。例如：IEEE 802.3bs標(biāo)準(zhǔn)[6]定義了光接口400GBASE-SR16、400GBASE-DR4、400GBASE-FR8、400GBASE-LR8和電接口400GAUI-8 C2M、400GAUI-16 C2M；IEEE 802.3cm標(biāo)準(zhǔn)[7]定義了光接口400GBASE-SR8。同時，該系列標(biāo)準(zhǔn)也對測試板、測試方法和測試設(shè)備作出了原理性的定義。此外，還有標(biāo)準(zhǔn)化組織對此進(jìn)行補充性的定義。例如，100G Lambda MSA Group定義了光接口400G-FR4[8]。

第三類為OIF-CEI系列標(biāo)準(zhǔn)，定義了電接口中的高速差分電信號的技術(shù)指標(biāo)。其主要在OIF-CEI-04.0標(biāo)準(zhǔn)[9]中定義了CEI-28G-VSR 和CEI-56G-VSR-PAM4，包括對測試板、測試方法和測試設(shè)備的原理性定義。其內(nèi)容與IEEE 802.3系列標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)內(nèi)容基本相同，在電眼圖參數(shù)定義、測試時的誤碼率和參考接收機的濾波器等方面有所不同。

將以上三類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組合后，形成了如表1所示、目前業(yè)界主流的400 Gb/s熱插拔光模塊類型。

表1 目前業(yè)界主流的400 Gb/s熱插拔光模塊類型 Tab.1 Current industry mainstream 400 Gb/s hot-pluggable optical module types

本文后續(xù)均以400 Gb/s QSFP-DD FR4光模塊為例，進(jìn)行說明。該模塊電接口信號為8×50 Gb/s四階脈沖幅度調(diào)制(4-level pulse amplitude modulation，PAM4)信號，光接口信號為4×100 Gb/s PAM4信號。

2 400 Gb/s熱插拔光模塊測試板

標(biāo)準(zhǔn)中將光模塊測試板定義為一致性測試板(compliance board)，分為模塊測試板(module compliance board，MCB)和主機測試板(host compliance board，HCB)。MCB主要用于測試光模塊，HCB主要用于測試主機。標(biāo)準(zhǔn)只是從高速差分電信號測試的角度進(jìn)行了定義，實際使用的測試板還需增加其他功能。

2.1 MCB

MCB原理框圖如圖1所示。

圖1 MCB原理框圖 Fig.1 Principle block diagram of MCB

MCB包括電源接口、模塊連接器、輸入/輸出射頻連接器、低速信號測試單元、微處理器單元和USB接口。MCB的外形圖可以參考Multilane公司的產(chǎn)品資料。

被測光模塊的電接口(金手指)與模塊連接器連接，通過輸入/輸出射頻連接器引出高速差分電信號，便于測試。低速信號則接入低速信號測試單元，通過LED燈、撥碼開關(guān)、按鍵開關(guān)和測試點直接測試等方式，實現(xiàn)對MSA協(xié)議中相關(guān)引腳定義的驗證。微處理器單元的功能是通過集成電路總線(inter-integrated circuit，IIC)接口與光模塊通信，同時通過USB接口與上位機通信，從而實現(xiàn)上位機與光模塊內(nèi)部單片機之間的通信。通過上位機，可對光模塊進(jìn)行固件升級和寄存器讀寫操作。

2.2 HCB

HCB原理框圖如圖2所示。

圖2 HCB原理框圖 Fig.2 Principle block diagram of HCB

HCB的原理比較簡單，主要作用是模擬光模塊的外形，將其插入位于主機上的模塊連接器后，可將主機印制電路板(printed circuit board，PCB)上的高速差分電信號通過輸入/輸出射頻連接器引出，便于測試。HCB的外形圖可以參考Multilane公司的產(chǎn)品資料。

標(biāo)準(zhǔn)對于MCB和HCB上的扇出通道(breakout channel)，即射頻連接器和高速差分線的S參數(shù)有明確的要求；除了理論仿真外，還可在PCB板上設(shè)置復(fù)制通道，通過測量復(fù)制通道的S參數(shù)得出扇出通道的S參數(shù)。

MCB和HCB可以自行開發(fā)，也可以直接采購成品。無論哪種方式，在測試前都應(yīng)該詳細(xì)測試其S參數(shù)，驗證其是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 400 Gb/s熱插拔光模塊測試系統(tǒng)

400 Gb/s光模塊標(biāo)準(zhǔn)對PAM4信號的測試參數(shù)作出了詳細(xì)的定義，對測試方法和測試設(shè)備也作出了原理性的定義。其中，對于測試設(shè)備的要求由設(shè)備廠商實現(xiàn)。

3.1 光模塊光發(fā)射端測試

光模塊的光發(fā)射端測試框圖如圖3所示。信號流向為：誤碼儀發(fā)射端(pattern generator，PG)→MCB射頻連接器→光模塊電接收端→光模塊光發(fā)射端→示波器。光模塊的測試方向是電進(jìn)光出。

圖3 光發(fā)射端測試框圖 Fig.3 Test block diagram of optical transmitter

400 Gb/s光模塊的光接口在發(fā)射方向和接收方向上分別有多個光波通道。標(biāo)準(zhǔn)要求是在所有光波通道都處于工作狀態(tài)時，逐一選取通道進(jìn)行測試。測試時，在誤碼儀上按標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置測試碼型，通過射頻連接器輸入光模塊電接收端，由光模塊完成電光轉(zhuǎn)換后，從光模塊的光發(fā)射端輸出光信號。Keysight N1078A為內(nèi)置光耦合器的光電時鐘恢復(fù)儀，輸出的電信號用于N1092C示波器的觸發(fā)信號。輸出的光信號用于參數(shù)測試。最后，通過示波器對光信號進(jìn)行眼圖測試并由內(nèi)置軟件計算出相關(guān)參數(shù)。重要的參數(shù)為發(fā)射機色散眼圖閉合代價(transmitter and dispersion eye closure for PAM4，TDECQ)、外光調(diào)制幅度(outer optical modulation amplitude，OMAouter)和消光比(extinction ratio，ER)。

Keysight M8040A誤碼儀的優(yōu)點在于：可以根據(jù)需要調(diào)整PAM4信號眼圖參數(shù)，還可以注入時鐘抖動。但是其價格昂貴，且只能支持2路PAM4輸出信號。而要使所有的發(fā)射光波通道都處于工作狀態(tài)，需要誤碼儀具有8路PAM4輸出信號。因此，在實際應(yīng)用中，當(dāng)光模塊處于研發(fā)階段時，往往是通過上位機對光模塊內(nèi)部進(jìn)行設(shè)置，關(guān)閉暫不測試的通道，并采用Keysight M8040A誤碼儀逐一分析和優(yōu)化每個通道的性能。當(dāng)光模塊處于量產(chǎn)階段時，則采用低成本的誤碼儀(如國產(chǎn)的Stelight PBT8856)作為信號源，同時產(chǎn)生8路PAM4輸出信號。

3.2 光模塊光接收端測試

在光模塊光接收端參數(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)將單通道最小平均接收光功率和接收靈敏度(OMAouter)定義為參考性(informative)，將壓力接收靈敏度(OMAouter)定義為強制性(normative)。壓力測試使用測試儀器產(chǎn)生一個劣化的光眼圖信號(光壓力眼信號，標(biāo)準(zhǔn)對壓力眼的參數(shù)有明確的規(guī)定)。該信號通過校準(zhǔn)后輸入被測接收機，在這種情況下對接收機靈敏度進(jìn)行測試。

光接收端壓力測試框圖如圖4所示。理論上，最小平均接收光功率和OMAouter也應(yīng)該使用圖4所示框圖來測試，只是不需注入抖動、干擾和噪聲。

光壓力眼信號需要在標(biāo)準(zhǔn)PAM4信號的基礎(chǔ)上注入正弦抖動、正弦干擾和高斯噪聲。在圖4中，由M8040A誤碼儀產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)PAM4電信號并注入正弦抖動；由M8196A任意波形發(fā)生器的2個通道作為干擾源，分別產(chǎn)生正弦干擾和高斯噪聲；通過功分器和定向耦合器，輸出電壓力眼信號；再由81492A參考發(fā)射機、81606A可調(diào)光源和81576A可調(diào)衰減器，將電壓力眼信號轉(zhuǎn)換為具有待測通道波長的光壓力眼信號。M8040A誤碼儀通過反復(fù)調(diào)整輸出眼圖參數(shù)，使得光壓力眼信號符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由N1078A光電時鐘恢復(fù)儀和N1092C示波器對光壓力眼信號進(jìn)行校準(zhǔn)(如虛線框所示)后，將其輸入合波器。

圖4 光接收端壓力測試框圖 Fig.4 Stress testing block diagram of optical receiver

同時，非壓力測試通道的輸入光信號(正向串?dāng)_信號)由Viavi ONT-603網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀上的光模塊1產(chǎn)生。該模塊與被測光模塊為同一型號。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀可以關(guān)閉光模塊1中與壓力測試波長相同的光通道，其余波長的光信號也輸入到合波器。

上述光信號經(jīng)合波器合波后，輸入MCB的被測光模塊光接收端。該模塊完成光電轉(zhuǎn)換后，從MCB的射頻連接器上用微波線纜引出被測通道的差分電信號。差分電信號經(jīng)功分器分路后，一路接到誤碼儀的接收端(error analyzer，EA)，一路通過N1078A光電時鐘恢復(fù)儀恢復(fù)出時鐘信號接到誤碼儀EA的時鐘接口。此時，在誤碼儀上可監(jiān)測壓力測試通道中的誤碼率。

由上述說明可知，搭建光壓力眼測試系統(tǒng)是一項復(fù)雜的工作。它需要各種儀器設(shè)備相互配合，并且在測試軟件的統(tǒng)一控制下，才能協(xié)同完成壓力眼的自動校準(zhǔn)和測試流程。

目前，能夠提供壓力眼測試系統(tǒng)的廠商只有Keysight，全套設(shè)備價格昂貴且不成熟，因此大部分光模塊廠家在實際測試時仍采用最小平均接收光功率進(jìn)行測試。通過最小平均接收光功率值和消光比值，可以換算出OMAouter值。

光接收端最小平均接收光功率測試框圖如圖5所示。信號流向為：誤碼儀PG→MCB射頻連接器→光模塊電接收端→光模塊光接口環(huán)回→光模塊電發(fā)射端→MCB射頻連接器→誤碼儀EA。光模塊的測試方向是光進(jìn)電出。

PAM4光信號最小平均接收光功率的測試方法與不歸零碼(non return zero,NRZ)光信號完全相同。圖5中的誤碼儀輸出的電信號經(jīng)MCB上的射頻連接器輸入光模塊電接收端，由光模塊完成電光轉(zhuǎn)換后，從光模塊光發(fā)射端輸出光信號，經(jīng)分波器、可調(diào)衰減器、耦合器和合波器環(huán)回到光接收端。在光發(fā)射端的參數(shù)完全符合要求的前提下，通過調(diào)整可調(diào)衰減器，獲取滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定誤碼率(2.4×10-4)[6-8]條件下的單通道最小平均接收光功率。

圖5 光接收端最小平均接收光功率測試框圖 Fig.5 Test block diagram of minimum average received optical power of optical receiver

3.3 光模塊電發(fā)射端測試

光模塊的電發(fā)射端測試框圖如圖6所示。

圖6 電發(fā)射端理論測試框圖 Fig.6 Theoretical test block diagram of electrical transmitter

信號流向為：誤碼儀PG→光電轉(zhuǎn)換設(shè)備→光模塊光接收端→光模塊電發(fā)射端→MCB射頻連接器→示波器。

光模塊的測試方向是光進(jìn)電出。

與3.2節(jié)中的設(shè)備相同，圖6中的誤碼儀、參考發(fā)射機和可調(diào)光源用于產(chǎn)生測試通道的PAM4光信號。這個光信號需要先用時鐘恢復(fù)儀和示波器進(jìn)校準(zhǔn)(如上方虛線框所示)，使其符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時，非測試通道的輸入光信號(正向串?dāng)_信號)由ONT-603網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀上的光模塊1產(chǎn)生，方法同3.2節(jié)。以上光信號經(jīng)合波后輸入到被測光模塊的光接收端。

此外，在進(jìn)行電發(fā)射端測試時，標(biāo)準(zhǔn)還要求在電接收端輸入反向串?dāng)_信號。此時，采用2臺M8196A產(chǎn)生8路符合要求的反向串?dāng)_信號。反向串?dāng)_信號需要在光模塊測試前使用HCB與MCB對接后用時鐘恢復(fù)儀和示波器進(jìn)行校準(zhǔn)(如下方虛線框所示)。測試時，光信號從被測光模塊光接收端輸入，由該模塊完成光電轉(zhuǎn)換后，從電發(fā)射端輸出電信號，經(jīng)MCB上的射頻連接器連接至示波器。示波器對信號進(jìn)行眼圖測試并由內(nèi)置軟件計算出相關(guān)參數(shù)。與光PAM4信號不同的是，電PAM4信號的評價指標(biāo)主要為眼高、眼寬和眼對稱模板寬度(eye symmetry mask width，ESMW)[6]。

采用上述方法進(jìn)行測試，需要使用3.2節(jié)中光壓力眼測試系統(tǒng)中的設(shè)備和軟件，連接復(fù)雜、價格高昂。因此，在實際的測試中，往往采用光模塊光接口環(huán)回的方法來測試電發(fā)射端的輸出信號。電發(fā)射端實際測試框圖如圖7所示。按圖7進(jìn)行光模塊電發(fā)射端測試的前提是：該模塊的光發(fā)射端和光接收端按3.1節(jié)和3.2節(jié)中的方法測試后，其參數(shù)都已符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖7 電發(fā)射端實際測試框圖 Fig.7 Practical test block diagram of electrical transmitter

3.4 光模塊電接收端測試

標(biāo)準(zhǔn)對于電接收端的測試同樣定義為壓力測試。電接收壓力測試框圖如圖8所示。

圖8 電接收壓力測試框圖 Fig.8 Stress testing block diagram of electrical receiver

信號流向為：誤碼儀PG→MCB射頻連接器→光模塊電接收端→光模塊光發(fā)射端。光模塊的測試方向是電進(jìn)光出。

與3.2節(jié)中的設(shè)備相同，圖8中的M8040A誤碼儀的發(fā)射端(PG)有兩路輸出。其中：一路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PAM4電信號并注入抖動，從而形成電壓力眼信號；另一路用作非測試通道的輸入電信號(正向串?dāng)_信號)，低成本誤碼儀PBT8856用于產(chǎn)生另外6路正向串?dāng)_信號。校準(zhǔn)時，首先將MCB與HCB對接，采用2臺M8196A產(chǎn)生反向串?dāng)_信號，在MCB的輸出端對其進(jìn)行校準(zhǔn)(如左下方虛線框所示)；然后，在反向串?dāng)_信號滿足要求的條件下，在HCB的輸出端對電壓力眼信號進(jìn)行校準(zhǔn)(如圖8右方虛線框所示)。測試時，因為MCB上已經(jīng)插入被測光模塊，所以反向串?dāng)_信號需由被測光模塊接收ONT-603網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀上光模塊1的光發(fā)射信號而產(chǎn)生。該模塊與被測光模塊為同一類型。

由上述說明可知，搭建電壓力眼測試系統(tǒng)也是一項復(fù)雜的工作，并且標(biāo)準(zhǔn)中只定義了電壓力眼測試的原理性要求，沒有定義誤碼儀EA接收信號的測試點。實際測試時，可以從以下幾個方面進(jìn)行測試和評估。

①以光模塊內(nèi)部的Gearbox芯片為測試對象，通過上位機將Gearbox芯片設(shè)置為Host側(cè)環(huán)回，同時在ONT-603網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀上關(guān)閉光模塊1與測試通道相對應(yīng)的光通道，將被測光模塊電發(fā)射端通過射頻連接器(測試點1)接到M8040A誤碼儀EA，監(jiān)測此時的誤碼率(應(yīng)小于1×10-6)[9]。連接時，需采用N1078A光電時鐘恢復(fù)儀恢復(fù)出時鐘信號接到誤碼儀EA的時鐘接口，同3.2節(jié)圖4中的描述，此節(jié)省略。

②以光模塊內(nèi)部的Gearbox芯片為測試對象，通過上位機將Gearbox芯片設(shè)置為Line側(cè)環(huán)回。同時，在ONT-603網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀上關(guān)閉光模塊1與測試通道相對應(yīng)的光通道，將被測光模塊電發(fā)射端通過射頻連接器(測試點1)接到M8040A誤碼儀EA，監(jiān)測此時的誤碼率(應(yīng)小于1×10-6)[9]。

③除去光模塊外殼，用高頻探針直接扎在測試對象的測試點，然后用微波線纜連到M8040A誤碼儀EA，監(jiān)測此時的誤碼率(應(yīng)小于1×10-6)[9]。

④以光模塊為測試對象，再增加一個MCB和被測光模塊(如圖8上方虛線框所示)，將該模塊的電發(fā)射端信號通過射頻連接器(測試點2)接到M8040A誤碼儀EA。此時的測試路徑中既有光通道又有電通道，不能以電通道的誤碼率1×10-6作為評價標(biāo)準(zhǔn)，必須打開Gearbox芯片的前向糾錯(forward error correction，F(xiàn)EC)功能，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤碼率1×10-15作為評價標(biāo)準(zhǔn)[9]。

3.5 光模塊成幀數(shù)據(jù)測試

3.1節(jié)～3.4節(jié)討論的測試均是針對單個通道，測試數(shù)據(jù)是非成幀數(shù)據(jù)。除了針對單個通道的測試外，還需要在光模塊的全部通道都處于工作狀態(tài)時，對其進(jìn)行成幀數(shù)據(jù)的測試。測試數(shù)據(jù)涉及物理層中的物理媒體相關(guān)(physical medium dependent，PMD)子層、物理媒體連接(physical medium attachment，PMA)子層和物理編碼(physical coding sublayer，PCS)子層等。成幀數(shù)據(jù)測試框圖如圖9所示。信號流向為：光模塊光接收端→光模塊電發(fā)射端→MCB射頻連接器環(huán)回→光模塊電接收端→光模塊光發(fā)射端。光模塊的測試方向是光進(jìn)光出。

圖9 成幀數(shù)據(jù)測試框圖 Fig.9 Test block diagram of framed data

PAM4技術(shù)雖然減少了信號的傳輸帶寬需求，但其原始誤碼率的要求比較低(對光信號的誤碼率要求僅為2.4×10-4，對電信號的誤碼率要求僅為1×10-6)[6,9]。為了使誤碼率降低到正常通信的要求，F(xiàn)EC技術(shù)[10-11]被普遍采用。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定FEC在PCS子層中實現(xiàn)，而M8040A誤碼儀只能產(chǎn)生非成幀數(shù)據(jù)，所以對FEC的統(tǒng)計和分析功能需要由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀來實現(xiàn)。

ONT-603網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀上的光模塊1和MCB上的被測光模塊為同一型號，二者使用光纖連接。同時，將MCB上的射頻連接器進(jìn)行環(huán)回連接，使得被測光模塊的電接口處于自環(huán)狀態(tài)。成幀的測試數(shù)據(jù)由ONT-603網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀產(chǎn)生，經(jīng)測試通道返回后，由協(xié)議分析儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

4 測試實例

采用上述測試板和測試系統(tǒng)，對光迅公司開發(fā)的400 Gb/s QSFP-DD FR4光模塊進(jìn)行測試。其中，1 311 nm通道的測試結(jié)果如下。

①光發(fā)射端。發(fā)射機色散眼圖閉合代價(TDECQ)為2.28 dB、外光調(diào)制幅度(OMAouter)為1.96 dBm、消光比(ER)為5.06 dB。

②光接收端。接收靈敏度(OMAouter)為-7.21 dBm，而壓力接收靈敏度(OMAouter)為-5.18 dBm。

③電發(fā)射端。按IEEE 802.3bs標(biāo)準(zhǔn)計算出的眼圖主要參數(shù)為：近端眼高70.8 mV、近端眼寬332 mUI、近端眼對稱模板寬度162.5 mUI(此處的測試值是指三個眼距離時間中心的左右幅度中的最小值)。

④電接收端。將Gearbox芯片設(shè)置為Host側(cè)環(huán)回，誤碼率為2.88×10-13；將Gearbox芯片設(shè)置為Line側(cè)環(huán)回，誤碼率為4.54×10-13。

⑤成幀測試。掛機24 h，ONT-603網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀顯示無誤碼。

5 結(jié)論

雖然3種400 Gb/s熱插拔光模塊MSA中的定義有所不同，但是光模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，相關(guān)測試也圍繞光接口和電接口而展開。測試系統(tǒng)只有采用按標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的測試板，以及具備PAM4信號測試功能的測試設(shè)備，才能完備、詳盡地測試各種參數(shù)，從而全面評估光模塊的性能。

目前，400 Gb/s系列光模塊仍處于研發(fā)和小批量供貨階段，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、PAM4光電信號的測試方法和測試設(shè)備也在不斷完善中。已正式發(fā)布PAM4信號測試設(shè)備的廠商主要為少數(shù)幾家國外廠商，如Keysight、Tektronix、Anritsu、Viavi和EXFO。在此階段，應(yīng)該認(rèn)真分析各種標(biāo)準(zhǔn)，針對光模塊光接口和電接口進(jìn)行全面的測試和分析，為量產(chǎn)階段打下必要的技術(shù)基礎(chǔ)。