400 Gb/s熱插拔光收發模塊測試系統研究

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

光收發模塊(以下簡稱光模塊)是光通信網絡中物理層的核心部件之一，主要作用是光電轉換和電光轉換。光模塊可以看作是一種“標準件”，由特定的標準化組織對其進行定義，各光模塊廠家均按標準的定義進行開發、生產和測試。相對于技術已經成熟的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標準；然后重點說明光模塊測試板的組成結構和工作原理；最后介紹由測試板和測試設備組成的測試系統對光模塊光接口和電接口進行測試的原理和方法，以及測試實例。

1 400 Gb/s熱插拔光模塊相關標準

與400 Gb/s熱插拔光模塊緊密相關的標準有三類。

第一類為多源協議(multi-source agreement，MSA)，定義了光模塊的機械結構、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光模塊多源協議有三種。目前，業界普遍的共識為：CFP8[1-2]為第一代產品，OSFP[3]為第二代產品，QSFP-DD[4-5]為第三代產品。

第二類為IEEE 802.3系列標準，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指標。例如：IEEE 802.3bs標準[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標準[7]定義了光接口400GBASE-SR8。同時，該系列標準也對測試板、測試方法和測試設備作出了原理性的定義。此外，還有標準化組織對此進行補充性的定義。例如，100G Lambda MSA Group定義了光接口400G-FR4[8]。

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

將以上三類標準進行組合后，形成了如表1所示、目前業界主流的400 Gb/s熱插拔光模塊類型。

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

本文后續均以400 Gb/s QSFP-DD FR4光模塊為例，進行說明。該模塊電接口信號為8×50 Gb/s四階脈沖幅度調制(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

標準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。標準只是從高速差分電信號測試的角度進行了定義，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、按鍵開關和測試點直接測試等方式，實現對MSA協議中相關引腳定義的驗證。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，從而實現上位機與光模塊內部單片機之間的通信。通過上位機，可對光模塊進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公司的產品資料。

標準對于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參數有明確的要求；除了理論仿真外，還可在PCB板上設置復制通道，通過測量復制通道的S參數得出扇出通道的S參數。

MCB和HCB可以自行開發，也可以直接采購成品。無論哪種方式，在測試前都應該詳細測試其S參數，驗證其是否符合標準的要求。

3 400 Gb/s熱插拔光模塊測試系統

400 Gb/s光模塊標準對PAM4信號的測試參數作出了詳細的定義，對測試方法和測試設備也作出了原理性的定義。其中，對于測試設備的要求由設備廠商實現。

3.1 光模塊光發射端測試

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

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

400 Gb/s光模塊的光接口在發射方向和接收方向上分別有多個光波通道。標準要求是在所有光波通道都處于工作狀態時，逐一選取通道進行測試。測試時，在誤碼儀上按標準要求設置測試碼型，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換后，從光模塊的光發射端輸出光信號。Keysight N1078A為內置光耦合器的光電時鐘恢復儀，輸出的電信號用于N1092C示波器的觸發信號。輸出的光信號用于參數測試。最后，通過示波器對光信號進行眼圖測試并由內置軟件計算出相關參數。重要的參數為發射機色散眼圖閉合代價(transmitter and dispersion eye closure for PAM4，TDECQ)、外光調制幅度(outer optical modulation amplitude，OMAouter)和消光比(extinction ratio，ER)。

Keysight M8040A誤碼儀的優點在于：可以根據需要調整PAM4信號眼圖參數，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。而要使所有的發射光波通道都處于工作狀態，需要誤碼儀具有8路PAM4輸出信號。因此，在實際應用中，當光模塊處于研發階段時，往往是通過上位機對光模塊內部進行設置，關閉暫不測試的通道，并采用Keysight M8040A誤碼儀逐一分析和優化每個通道的性能。當光模塊處于量產階段時，則采用低成本的誤碼儀(如國產的Stelight PBT8856)作為信號源，同時產生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中，標準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生一個劣化的光眼圖信號(光壓力眼信號，標準對壓力眼的參數有明確的規定)。該信號通過校準后輸入被測接收機，在這種情況下對接收機靈敏度進行測試。

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準PAM4信號的基礎上注入正弦抖動、正弦干擾和高斯噪聲。在圖4中，由M8040A誤碼儀產生標準PAM4電信號并注入正弦抖動；由M8196A任意波形發生器的2個通道作為干擾源，分別產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參考發射機、81606A可調光源和81576A可調衰減器，將電壓力眼信號轉換為具有待測通道波長的光壓力眼信號。M8040A誤碼儀通過反復調整輸出眼圖參數，使得光壓力眼信號符合標準要求。由N1078A光電時鐘恢復儀和N1092C示波器對光壓力眼信號進行校準(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(正向串擾信號)由Viavi ONT-603網絡協議分析儀上的光模塊1產生。該模塊與被測光模塊為同一型號。網絡協議分析儀可以關閉光模塊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光電時鐘恢復儀恢復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是一項復雜的工作。它需要各種儀器設備相互配合，并且在測試軟件的統一控制下，才能協同完成壓力眼的自動校準和測試流程。

目前，能夠提供壓力眼測試系統的廠商只有Keysight，全套設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→光模塊光接口環回→光模塊電發射端→MCB射頻連接器→誤碼儀EA。光模塊的測試方向是光進電出。

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換后，從光模塊光發射端輸出光信號，經分波器、可調衰減器、耦合器和合波器環回到光接收端。在光發射端的參數完全符合要求的前提下，通過調整可調衰減器，獲取滿足標準規定誤碼率(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 光模塊電發射端測試

光模塊的電發射端測試框圖如圖6所示。

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

信號流向為：誤碼儀PG→光電轉換設備→光模塊光接收端→光模塊電發射端→MCB射頻連接器→示波器。

光模塊的測試方向是光進電出。

與3.2節中的設備相同，圖6中的誤碼儀、參考發射機和可調光源用于產生測試通道的PAM4光信號。這個光信號需要先用時鐘恢復儀和示波器進校準(如上方虛線框所示)，使其符合標準的要求。同時，非測試通道的輸入光信號(正向串擾信號)由ONT-603網絡協議分析儀上的光模塊1產生，方法同3.2節。以上光信號經合波后輸入到被測光模塊的光接收端。

此外，在進行電發射端測試時，標準還要求在電接收端輸入反向串擾信號。此時，采用2臺M8196A產生8路符合要求的反向串擾信號。反向串擾信號需要在光模塊測試前使用HCB與MCB對接后用時鐘恢復儀和示波器進行校準(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換后，從電發射端輸出電信號，經MCB上的射頻連接器連接至示波器。示波器對信號進行眼圖測試并由內置軟件計算出相關參數。與光PAM4信號不同的是，電PAM4信號的評價指標主要為眼高、眼寬和眼對稱模板寬度(eye symmetry mask width，ESMW)[6]。

采用上述方法進行測試，需要使用3.2節中光壓力眼測試系統中的設備和軟件，連接復雜、價格高昂。因此，在實際的測試中，往往采用光模塊光接口環回的方法來測試電發射端的輸出信號。電發射端實際測試框圖如圖7所示。按圖7進行光模塊電發射端測試的前提是：該模塊的光發射端和光接收端按3.1節和3.2節中的方法測試后，其參數都已符合標準的要求。

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

3.4 光模塊電接收端測試

標準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→光模塊光發射端。光模塊的測試方向是電進光出。

與3.2節中的設備相同，圖8中的M8040A誤碼儀的發射端(PG)有兩路輸出。其中：一路產生標準的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(正向串擾信號)，低成本誤碼儀PBT8856用于產生另外6路正向串擾信號。校準時，首先將MCB與HCB對接，采用2臺M8196A產生反向串擾信號，在MCB的輸出端對其進行校準(如左下方虛線框所示)；然后，在反向串擾信號滿足要求的條件下，在HCB的輸出端對電壓力眼信號進行校準(如圖8右方虛線框所示)。測試時，因為MCB上已經插入被測光模塊，所以反向串擾信號需由被測光模塊接收ONT-603網絡協議分析儀上光模塊1的光發射信號而產生。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也是一項復雜的工作，并且標準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行測試和評估。

①以光模塊內部的Gearbox芯片為測試對象，通過上位機將Gearbox芯片設置為Host側環回，同時在ONT-603網絡協議分析儀上關閉光模塊1與測試通道相對應的光通道，將被測光模塊電發射端通過射頻連接器(測試點1)接到M8040A誤碼儀EA，監測此時的誤碼率(應小于1×10-6)[9]。連接時，需采用N1078A光電時鐘恢復儀恢復出時鐘信號接到誤碼儀EA的時鐘接口，同3.2節圖4中的描述，此節省略。

②以光模塊內部的Gearbox芯片為測試對象，通過上位機將Gearbox芯片設置為Line側環回。同時，在ONT-603網絡協議分析儀上關閉光模塊1與測試通道相對應的光通道，將被測光模塊電發射端通過射頻連接器(測試點1)接到M8040A誤碼儀EA，監測此時的誤碼率(應小于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，監測此時的誤碼率(應小于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作為評價標準，必須打開Gearbox芯片的前向糾錯(forward error correction，FEC)功能，以標準規定的誤碼率1×10-15作為評價標準[9]。

3.5 光模塊成幀數據測試

3.1節～3.4節討論的測試均是針對單個通道，測試數據是非成幀數據。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時，對其進行成幀數據的測試。測試數據涉及物理層中的物理媒體相關(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。成幀數據測試框圖如圖9所示。信號流向為：光模塊光接收端→光模塊電發射端→MCB射頻連接器環回→光模塊電接收端→光模塊光發射端。光模塊的測試方向是光進光出。

圖9 成幀數據測試框圖 Fig.9 Test block diagram of framed data

PAM4技術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，FEC技術[10-11]被普遍采用。標準規定FEC在PCS子層中實現，而M8040A誤碼儀只能產生非成幀數據，所以對FEC的統計和分析功能需要由網絡協議分析儀來實現。

ONT-603網絡協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上的射頻連接器進行環回連接，使得被測光模塊的電接口處于自環狀態。成幀的測試數據由ONT-603網絡協議分析儀產生，經測試通道返回后，由協議分析儀對數據進行統計分析。

4 測試實例

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

①光發射端。發射機色散眼圖閉合代價(TDECQ)為2.28 dB、外光調制幅度(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電發射端。按IEEE 802.3bs標準計算出的眼圖主要參數為：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芯片設置為Host側環回，誤碼率為2.88×10-13；將Gearbox芯片設置為Line側環回，誤碼率為4.54×10-13。

⑤成幀測試。掛機24 h，ONT-603網絡協議分析儀顯示無誤碼。

5 結論

雖然3種400 Gb/s熱插拔光模塊MSA中的定義有所不同，但是光模塊的內部結構和工作原理基本相同，相關測試也圍繞光接口和電接口而展開。測試系統只有采用按標準開發的測試板，以及具備PAM4信號測試功能的測試設備，才能完備、詳盡地測試各種參數，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和小批量供貨階段，相關標準、PAM4光電信號的測試方法和測試設備也在不斷完善中。已正式發布PAM4信號測試設備的廠商主要為少數幾家國外廠商，如Keysight、Tektronix、Anritsu、Viavi和EXFO。在此階段，應該認真分析各種標準，針對光模塊光接口和電接口進行全面的測試和分析，為量產階段打下必要的技術基礎。