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光通信 | 揭秘100G QSFP28!你知道高速光模块的测试方案吗?

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  • TA的每日心情
    大哭
    2019-12-12 10:11
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    发表于 2018-3-14 00:16:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
    在光模块的更新换代过程中,为追求更高的传输速率,已经发展到多通道的并行方式为更高的传输带宽提供支持。IEEE 802.3ba标准定义了40G和100G以太网协议,都以并行通道的方式实现。

    对于多路并行的模块,最效率的测试方法当然是并行测试了,本节将本文将以100G QSFP28光模块为例为大家揭秘100G光模块的多种测试方案,再对并行测试方案中用到的测试仪器做简单介绍。

    高速光模块测试方案

    虚拟仪器技术是大多数光模块厂商用来设计光模块自动化测试系统的主要手段。

    测试系统集成了国内外先进的测试仪器设备:

    光示波器
    误码仪
    光功率计
    光衰减仪
    等等...

    通过GPIB总线或其他通道连接到PC端,PC端再基于虚拟仪器的上位机软件系统控制,实现对各个测量仪器的实时控制,完成模块自动化测试流程。

    测试系统方案一般将模块的发射端和接收端分开调试和测量,经过初步测试老化后,统一进行最终的检测。

    100G光模块发射端测试

    (100G QSFP28 光模块发射端测试框图)


    光模块发射端性能指标基本上可以用发射端的光眼图信息来表征

    如图所示,待测光模块结合测试板将误码仪提供的高速电信号转换成光信号,通过光纤跳线接入光示波器中,同时误码仪的Trigger端将同步时钟信号接入示波器,实现信号同步,在光示波器上形成眼图。

    光示波器需选择与待测光模块相对应的滤波器速率和中心波长,选择合适的眼图模板对形成的眼图进行匹配,测试系统通过GBIP总线将生成的眼图信息(发射光功率、消光比、眼图上升下降时间和眼图交叉点等)发送至上位机。

    测试过程中需根据模块指标的目标要求设置合适的光功率和消光比,同时完成对模块数字诊断的发射光功率值与实际值进行校准,调整偏置电流(Ibias)使光功率在合格范围内,上位机将调试好的数据值通过测试板写入模块的EEPROM中。



    100G光模块接收端测试

    (100G QSFP28光模块接收端测试框图)


    光模块接收端主要进行灵敏度测试

    一般选用一个标准的光模块作为标准光发射源,基于误码仪产生的高速电信号经测试板驱动光模块发射端产生标准信号源。

    灵敏度测试需要可编程的光衰减仪进行信号的功率衰减,使光模块接收端接收到不同功率的信号,最终通过误码仪比对不同光功率下的误码率来完成灵敏度测试。

    测试过程中,先设置告警值,并对模块的接收光功率DMM值进行校准,通过调整可编程光衰减仪,检测模块在特定误码率(BRT=10-12)接收端的光功率值,即灵敏度指标。

    在实际测试过程中,一般通过调整光衰减器获取若干光功率条件下的误码率,然后采用曲线拟合等方法估算模块灵敏度。通过比对设置的告警阈值,测量模块的信号丢失指示(Los Assert)、信号丢失恢复指示(Los Dessert)等指标是否达标。


    100G光模块最终测试

    (100G QSFP28光模块整体测试框图)

    光模块厂商一般将发射和接收端分别测试完的光模块进行老化后再次进行模块参数的检测,以确定光模块因老化而引起功能参数的变化。

    对模块的测试在如上图的测试方案中,能同时完成灵敏度和眼图光学指标的测量,在实际测试中可能需要两台误码仪来分别驱动两块测试板,要想只用一台误码仪的两路差分输出分别驱动两块测试板,需要选择高质量码型发生器(PPG)。


    其他测试方案

    模块厂商可根据不同光模块以及实际的设备情况构建不同的测试系统,以下粗略介绍两种测试方案的结构图。

    (带光口误码测试系统方案)

    上图的测试系统方案采用了带标准光源的误码仪,用多路分光器和衰减仪相结合的方式完成接收端校准、正反向告警测试和灵敏度测试。

    对于模块接收端光功率的测量,通过1X2分光器加光功率计的方式来实现。

    (Anritsu的误码测试系统方案)

    Anritsu的100G误码测试系统方案,采用集成BERT的一体化采样示波器,在实现灵敏度和眼图并行测试的同时,简化了系统设备。可简化QSFP/QSFP+等4通道光信号模块的自动化测试。


    模块的并行测试

    对于多通道的光模块就需要相应的并行测试设备来提升效率,从整个测试系统链路来看,多通道的误码仪,多通道的光衰减仪和支持多路眼图的DCA仪器的使用在不考虑成本的条件下会是最佳效率方案。

    (GoLight 4通道光衰减仪)

    并行的高速电信号进模块转换为光信号后,同样需要为每一信道进行链路损耗的模拟,带功率监控功率的多通道衰减仪在满足快速探测模块灵敏度同时,能简化测试系统并实时在线监控模块功率状态。

    (KeySight DCA-M N1092D

    在眼图测试过程中,使用多路的光口DCA进行眼图并行测试能极大的节省测试时间,替换光开关进行通道切换,还避免由通道之间的串扰或多余链路节点带来的眼图畸变。

    接收端快速衰减,采用曲线拟合试探灵敏度

    光模块灵敏度测试需要通过调整光衰减仪观测误码率,但在低误码率的情况下,需要的测试时间往往是比较长的,在大规模的生产中,每个模块都去检测实际的灵敏度值是不可取的。一般可利用在高误码率下测试若干典型的误码率点,在通过最小二乘法拟合模块接收光功率-误码率曲线,并外推出低误码率(BRT=10-12)下所对于得平均光功率,这种方法在产线大规模的测试过程中尤能体现其优越性。

    (曲线拟合外推灵敏度)

    发射端和接收端在同一个工位上同时完成测试

    灵敏度和眼图的测试安排在同一工位上,需要误码仪能同时驱动一个标准的光源模块和待测的光模块。选用更多通道的误码仪或者选用高质量的可单端驱动误码仪,能使系统连接更简洁。在设备连接方面,可用误码仪差分正极端驱动一个标准的光模块,作为标准的光信号源,待测模块则可以用负端驱动来检测发射端的眼图质量。

    (GoLight4通道100G BERT

    提高光模块测试效率除了选用合适的测试设备搭建好测试方案外,优化模块的数据处理,结合模块终端客户需求对重点监控的参数进行测试,都可作为提高效率的切入点。另外对于有温度冲击要求的模块测试,温度调节过程的时间将占用整个测试的大部分时间,目前可选用高温度转换率的高低温冲击试验箱来实现,在典型的低温、高温、常温能实现快速温度转换。

    本文介绍的多通道并行测试只是为了最高效率地提高测试效率。在实际的生产应用中,各生产厂家还是会根据各自的订单情况和具体产能状况对测试方法做具体调整。

    光模块的自化化测试减少人工干预,多种仪器仪表设备通过通讯总线方式(GPIB、USB、RS232等)与计算机自动进行产品编号管理、数据测量、数据分析、数据判别以及数据存储等。

    自动化测试省时、省力、能提高劳动生产率和产品品质,节省大量的人力成本,通过整合优化工序提升生产效率,使得规模化生产的产品有着良好的一致性,做到数据可追溯。光模块需求的爆炸式增长,助使生产商寻求更高效,更经济的模块测试方法。

    光模块由光电子器件、功能电路等组成,其中光电子组件包括发射和接收两部分,模块的测试主要检测这两个部分的指标参数。

    发射端主要参数从眼图上体现,包括光模块调制信号的速率-Bit Rate;反映发射端信号输出功率大小的眼高Eye Ampl;信号的峰峰值抖动(Jitter_P-P)和均方根抖动(Jitter_RMS);度量信号“1”和“0”的眼图交叉百分比;电平转换的平均过渡时长及上升下降时间;“1”信号与“0”信号差值的光调制幅度(OMA);调制光功率总和及平均光功率Average Power;激光功率在逻辑“1”的功率和在逻辑“0”的功率之比消光比(ER)。

    接收端主要参数为PD的接收灵敏度,灵敏度越高,接收到的光功率就能越小,整个传输系统的设计传输距离就能更远。

    在模块生产中一般用BER=10-12条件下所接收到的光功率来表征。

    当模块接收到的误码率达到门限值(BER≥10-3),光模块进入LOS状态,信号丢失即LOS Assert;信号从丢失到恢复指示即LOS Dessert ;信号丢失及信号恢复之间的功率差值即LOS Hysteresis。

    (接收端灵敏度示意图)

    光模块的测试系统需要集成光示波器、误码仪、光开关、光衰减仪、光功率计等,下图为经典的并行测试方案。

    围绕待测器件ROSA端的灵敏度测试,应用BERT单端驱动一个标准的光模块,产生基准光信号,经WDM分波输入多通道衰减仪,衰减仪模拟链路损耗,将衰减后的信号送入待测模块的ROSA端,完成光电转换后,误码仪比对出不同链路损耗下的误码率,最终通过拟合方法快速获取模块灵敏度指标。

    对于TOSA端光学指标测试,同样通过BERT单端驱动待测光模块,经WDM器件将多路信号送入眼图仪进行眼图测试。

    根据眼图仪的光口通道数,亦可选用光开关进行多路眼图的串行测试。

    (经典并行测试方案图)

    要达到快速高效测试光模块除了选用高速率的测试仪器外,基本的并行测试模块是必不可少的。
    从信号的产生、光电转换、链路衰减到信号接收端的分析,并行方法的实施可为测试节约不少的时间。在大规模的产线测试中,采用典型测量值来估算需长时间测量的实际值也是常用的方法。



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