技術(shù)文章 | 如何全面評(píng)估共封裝光學(xué)組件(CPO)性能

  背景介紹

  目前正在部署的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正專注于更換光接口，以促進(jìn)“Beyond 400G”大變革。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速度，數(shù)據(jù)中心的可插拔光模塊開始采用800 GbE和1.6 TbE QSFP-DD/OSFP模塊。

  與此同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)更大的容量和更高的集成度，業(yè)界正在開發(fā)使用共封裝光學(xué)(CPO)技術(shù)的光接口，這與當(dāng)前的光模塊接口有著根本的不同。CPO是將使用硅光子(SiP)技術(shù)的交換芯片ASIC和光模塊共同安裝在所需面積最小的板上的封裝。標(biāo)準(zhǔn)化工作由光互聯(lián)論壇(OIF)共封裝框架實(shí)施協(xié)議(IA)、板載光學(xué)聯(lián)盟(COBO)共封裝光學(xué)工作組等負(fù)責(zé)。OIF的目標(biāo)是使用16個(gè)光引擎實(shí)現(xiàn)51.2 Tbps的以太網(wǎng)交換，環(huán)繞交換芯片ASIC的每個(gè)引擎可達(dá)3.2 Tbps(8×400 GbE)，如圖1所示。以太網(wǎng)交換機(jī)有望成為實(shí)現(xiàn)大容量傳輸?shù)男陆鉀Q方案，同時(shí)解決數(shù)據(jù)中心功耗上升的問題。

  本文將介紹如何測(cè)試每個(gè)CPO的特性。

  CPO概述

  不斷增長(zhǎng)的使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的新應(yīng)用需求需要更高速的通信。當(dāng)前使用可插拔光模塊的數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)交換正在向更快的800GbE遷移。對(duì)于800GbE，內(nèi)部交換芯片ASIC和光模塊之間的電連接需要傳輸53Gbaud的PAM4信號(hào)。當(dāng)長(zhǎng)距離傳輸高速信號(hào)時(shí)，需要改進(jìn)數(shù)字修正以補(bǔ)償不斷增加的損耗，這會(huì)導(dǎo)致高功耗和冷卻成本。此外，交換機(jī)內(nèi)部和外部的有限空間會(huì)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)未來高速1.6TbE時(shí)出現(xiàn)問題。

  CPO是解決上述問題的封裝方法之一。將光模塊和附近的ASIC安裝在同一塊板上，不僅縮短了電路徑以降低功耗和冷卻成本，而且有助于提高帶寬。這不是一個(gè)新概念，也用于板載光學(xué)(OBO)業(yè)務(wù)。使用SiP技術(shù)的組件集成的進(jìn)步吸引了人們對(duì)CPO的新興趣，CPO是一種高密度實(shí)現(xiàn)技術(shù)，有助于包括交換芯片ASIC、光引擎、激光光源和光纖在內(nèi)多個(gè)組件的組合。

  圖1說明了從可插拔光模塊到CPO的演變。目前，由光引擎包圍ASIC的CPO正在研究中，并正在宣布一個(gè)概念模型。此外，作為一種實(shí)用的CPO實(shí)現(xiàn)，正在討論使用外部光源和連接器改進(jìn)維護(hù)的近封裝光學(xué)(NPO)設(shè)計(jì)。未來將光引擎、激光光源和ASIC組合在一個(gè)芯片中的更高集成度方案正在考慮之中。

圖1 光模塊的演變

  CPO模塊測(cè)試點(diǎn)

  圖2顯示了圖1中CPO/NPO(第3項(xiàng))的測(cè)試點(diǎn)。主要的三個(gè)測(cè)試點(diǎn)如下所示：

  · 交換芯片ASIC電信號(hào)測(cè)試

  · 光引擎光信號(hào)測(cè)試

  · CPO 交換模塊以太網(wǎng)信號(hào)測(cè)試

  交換芯片ASIC和光引擎上的電信號(hào)和光信號(hào)使用標(biāo)準(zhǔn)化接口。測(cè)試以確保滿足該標(biāo)準(zhǔn)是保證整個(gè)系統(tǒng)正確運(yùn)行的關(guān)鍵。

圖2 CPO 模塊測(cè)試點(diǎn)

  交換芯片ASIC的電信號(hào)測(cè)試

  交換芯片ASIC電信號(hào)受到各種重要特性的影響，如外部影響、壓力、傳輸通道，這些特性降低了信號(hào)的完整性，阻礙了設(shè)備的互操作性。因此，此性能測(cè)試對(duì)于確?；ゲ僮餍苑浅Ｖ匾?。CPO 電接口采用CEI-112G-XSR-PAM4 標(biāo)準(zhǔn)。此外，正在討論對(duì)CEI-112G-XSR+-PAM4的支持，以支持NPO應(yīng)用。

  可以使用MP1900A信號(hào)質(zhì)量分析儀來評(píng)估比特誤碼。該模塊化8插槽的測(cè)試設(shè)備執(zhí)行支持NRZ/PAM4信號(hào)調(diào)制的DUT所需的高速電信號(hào)測(cè)試，每個(gè)通道支持32 和64 Gbaud。

  圖3顯示了交換芯片ASIC電信號(hào)壓力測(cè)試裝置的示例。通過配置PAM4 PPG/ED(脈沖碼型發(fā)生器/誤碼檢測(cè)器)、合成源、抖動(dòng)和噪聲模塊，一體化MP1900A模擬外部壓力以簡(jiǎn)化此測(cè)試。參考時(shí)鐘從合成源模塊輸出，用于輸入到產(chǎn)生抖動(dòng)壓力如SJ、RJ、BUJ等的抖動(dòng)模塊。抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)由PPG模塊使用，以生成測(cè)試碼型輸出信號(hào)。輸出信號(hào)被發(fā)送到噪聲模塊，在該噪聲模塊中添加噪聲。增加了抖動(dòng)和噪聲的壓力信號(hào)被提供給交換芯片ASIC。從接收壓力信號(hào)的交換芯片ASIC輸出的信號(hào)被發(fā)送到ED，在ED中通過與原始信號(hào)進(jìn)行比較來評(píng)估BER。

圖3 交換芯片ASIC壓力測(cè)試

(注：Synthesizer:時(shí)鐘源，Jitter:抖動(dòng)源，PPG：脈沖碼型發(fā)生器，ED：誤碼檢測(cè)器，Noise：噪聲源，Differential:差分接口)

  光引擎的光信號(hào)測(cè)試

      · 使用采樣示波器進(jìn)行波形評(píng)估

  評(píng)估從眼圖波形觀察到的光數(shù)字信號(hào)質(zhì)量對(duì)于光引擎來說是必要的，光引擎的光信號(hào)基于與具有PAM4調(diào)制技術(shù)的可插拔光模塊相同的400GBASE標(biāo)準(zhǔn)。PAM4的發(fā)射色散眼圖閉合四相(TDECQ)被用作PAM4波形評(píng)估指標(biāo)。

  可以使用BERTWave MP2110A評(píng)估眼圖波形，這是一款理想的一體化測(cè)試解決方案，用于測(cè)量10G至800G光模塊和分析NRZ/PAM4眼圖。

  圖4和圖5顯示了使用采樣示波器的測(cè)試裝置。來自光引擎的光輸出信號(hào)被輸入到MP2110A的每個(gè)通道，400GBASE-DR4使用帶多芯連接器(如MPO)的分接光纜將信號(hào)輸入示波器。400GBASE-FR4使用DEMUX將信號(hào)解復(fù)用到示波器，因?yàn)楣獠ㄩL(zhǎng)是被WDM復(fù)用了的。

  采樣示波器需要一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來同步數(shù)據(jù)信號(hào)。在許多情況下，光引擎不輸出單獨(dú)的觸發(fā)信號(hào)。在這種情況下，使用時(shí)鐘恢復(fù)單元(CRU)支持在沒有外部觸發(fā)信號(hào)的情況下進(jìn)行光引擎測(cè)試，因?yàn)橛|發(fā)信號(hào)可以直接從光輸入信號(hào)中恢復(fù)。輸入到MP2110A CRU的信號(hào)由內(nèi)置分光器分離，一個(gè)信號(hào)用于時(shí)鐘恢復(fù)，另一個(gè)信號(hào)從外部輸出到示波器，以評(píng)估多達(dá)四個(gè)信號(hào)通道，包括輸入到CRU的信號(hào)。

圖4 光引擎光信號(hào)測(cè)試(400GBASE-DR4)(注：Optical Engine：光引擎)

圖5 光引擎光信號(hào)測(cè)試(400GBASE-FR4) (注：Optical Engine：光引擎)

  使用400GBASE×8的OIF定義的3.2 Tbps光引擎必須測(cè)試32個(gè)通路。由于傳統(tǒng)的可插拔光模塊使用四到八個(gè)通路，CPO通路數(shù)量的大幅增加帶來了新的挑戰(zhàn)。這種情況下的測(cè)試方法是使用多個(gè)測(cè)試儀器進(jìn)行并行測(cè)量，或者使用光開關(guān)進(jìn)行測(cè)量。盡管使用多臺(tái)MP2110A可以快速并行評(píng)估32個(gè)通路，但設(shè)備投資成本很高。光開關(guān)的替代使用降低了成本，但測(cè)試時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)橐淮沃荒茉u(píng)估四個(gè)通路。在設(shè)備投資成本和測(cè)試時(shí)間之間需要權(quán)衡。因此，用戶需要根據(jù)投資成本或測(cè)試時(shí)間的相對(duì)重要性來選擇最佳測(cè)試方案。

  · 使用光譜分析儀進(jìn)行光譜評(píng)估

  光譜分析儀(OSA)可以評(píng)估光信號(hào)的特性，如中心波長(zhǎng)、光譜寬度、邊模抑制比(SMSR)。通常，中心波長(zhǎng)、光譜寬度和SMSR等特性會(huì)波動(dòng)。如果這些特性超過了允許的值，則收發(fā)器被評(píng)估為未通過測(cè)試。

  一些CPO設(shè)計(jì)使用光引擎以外的光源。光源通常具有高故障率，并且在高溫環(huán)境中存在可靠性問題。作為解決這一可靠性問題的對(duì)策，OIF將易于更換的外部光源定義為外部激光小尺寸可插拔(ELSFP)光源。每個(gè)通道的ELSFP光輸出功率非常高，可達(dá)+20dBm。因此，與一般的可插拔光收發(fā)器不同，ELSFP通常使用盲配方法在連接器側(cè)輸出光功率。所以，用戶可以在完全安全的情況下更換ELSFP，而不暴露于高輸出激光器。

  圖6顯示了一個(gè)使用MS9740B光譜儀的測(cè)試示例。如前所述，由于ELSFP在連接器側(cè)輸出光信號(hào)，因此捕獲光信號(hào)是困難的，評(píng)估獨(dú)立的ELSFP需要評(píng)估板來捕獲光信號(hào)?；蛘?，可以在光引擎和ELSFP耦合的同時(shí)評(píng)估從光引擎輸出的信號(hào)的光譜。

  由于ELSFP的光輸出功率高，在測(cè)試時(shí)必須小心。如果可能超過測(cè)試儀器的最大光輸入功率，則必須在ELSFP和OSA之間插入光衰減器。MS9740B內(nèi)置可設(shè)置的光衰減器，可測(cè)量高達(dá)+23 dBm的光功率。

圖6 光引擎光譜測(cè)試(400GBASE-FR4) 

(注：Optical Engine：光引擎，Optical switch：光開關(guān))

  此外，如圖7所示，當(dāng)與使用第5.1節(jié)中描述的采樣示波器進(jìn)行評(píng)估相結(jié)合時(shí)，可以同時(shí)測(cè)試光信號(hào)波形和光譜，從而能夠評(píng)估光引擎所需的所有參數(shù)。

圖7 光引擎光信號(hào)測(cè)試(400GBASE-FR4) 

(注：Optical Engine：光引擎，Optical switch：光開關(guān))

  CPO交換模塊的以太網(wǎng)信號(hào)測(cè)試

  CPO交換模塊測(cè)試需要物理層和更高層，這可以使用以太網(wǎng)測(cè)試儀來執(zhí)行測(cè)試。

  CPO交換模塊使用PAM4調(diào)制和400GBASE光信號(hào)來提高傳輸效率。由于幅度電平的下降，高速傳輸可能導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)誤的概率增加。因此，IEEE指定的前向誤碼糾錯(cuò)(FEC)用于糾正信號(hào)傳輸過程中發(fā)生的任何誤碼，并確保高可靠性通信。不幸的是，F(xiàn)EC具有一些限制，并且FEC算法不能糾正信號(hào)中過多的連續(xù)誤碼，從而導(dǎo)致傳輸質(zhì)量的大幅下降。

  Network Master Pro MT1040A以太網(wǎng)測(cè)試儀可以評(píng)估無誤碼數(shù)據(jù)傳輸和FEC算法糾正范圍內(nèi)的誤碼數(shù)量。如圖8所示，MT1040A顯示了實(shí)際以太網(wǎng)幀發(fā)送和接收環(huán)境中的光模塊FEC分布特性。

圖8 FEC分布特性

  圖9顯示了雙端口CPO交換模塊的以太網(wǎng)測(cè)試裝置，該裝置使用安裝了兩個(gè)400G光模塊的MT1040A評(píng)估兩個(gè)400G端口。輸入從CPO交換模塊的一個(gè)端口輸出的光信號(hào)，同時(shí)將從DUT#2接收該輸入的光信號(hào)輸出輸入到CPO交換模塊的另一個(gè)端口，支持交換性能評(píng)估，例如幀丟失、錯(cuò)誤幀和時(shí)延測(cè)試。此外，可以識(shí)別FEC碼字(CW)錯(cuò)誤，以評(píng)估所有接收到的FEC CW的分布。如圖8所示，用戶可以實(shí)時(shí)觀察測(cè)試結(jié)果，并為任何符號(hào)錯(cuò)誤設(shè)置閾值級(jí)別，以輕松掌握綠色、黃色和紅色編碼的結(jié)果。

圖9 CPO 交換模塊以太網(wǎng)測(cè)試

  總  結(jié)

  本文解釋了交換芯片ASIC電信號(hào)、光引擎光信號(hào)和CPO交換模塊以太網(wǎng)信號(hào)測(cè)試這三種類型的CPO測(cè)試。隨著CPO集成度的進(jìn)展，互操作性測(cè)試和評(píng)估非常重要。安立公司擁有廣泛的測(cè)試方案，包括BERT、采樣示波器、光譜分析儀、以太網(wǎng)測(cè)試儀等，可提供理想的解決方案。為了評(píng)估CPO性能，安立支持針對(duì)CPO性能和兼容性要求的電氣和光測(cè)試解決方案。