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400G LR8光模块测试方案小析

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一。400G模块测试协议以及重要参数介绍

 

随着400G协议的成熟,光模块一线厂商也陆续有400G 光模块给客户送样。紧接着,就要开始进行产线测试布局。400G相关协议主要参考标准IEEE802.3bs,在这份协议中定义了200GBase DR4/FR4/LR4,400GBase FR8/LR8以及400GBase-SR16/DR4;由于400GBase-SR16依然采用NRZ编码,光口测试只需遵循之前的100G SR4测试即可。而400G DR4,属于单波100G ,即53Gbaud/s,目前对单模100G的光口测试需求,还不是很迫切,本文不做重点介绍。本方案中主要以单路传输25G baud/s PAM4 QSFP-DD 400GBase LR8为例做介绍。


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对于400GBase LR8 测试,首先先对发射接收端的各个参数做一个简单解释,然后看一下测试重点。


下图是从协议里面摘出来的发射端测试参数列表,可以看出,同100GBase LR4 的NRZ测试参数相比,就只是将TDP换成了TDECQ,将模板余量(Mask Margin)测试拿掉;而这两个变化也是PAM4 光口测试中最大的变化。尤其是TDECQ的测试,是整个PAM4光口性能测试的核心。


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TDECQ,即四阶发射色散眼图闭合度,通俗的理解就是待测试的发射机通道与一个理想的发射机相比,传输恶化的一段光纤后,需要增加多少额外的光功率才能达到与理想发射机同样的误码。


其定义如下:


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测试中,发射端用SSPRQ码型,在示波器测到波形后,根据统计学理论,计算出一个SER,然后开始在此波形上叠加噪声,直到SER恶化到2E-4。然后再在构造的理想的发射机上叠加噪声一直到SER 恶化到2E-4,两者的噪声对比,即为TDECQ的值。


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官方规定TDECQ的测试框图如下:

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其中:

  • 偏振控制器(polarization rotator)与可变反射计(variable reflector)联合使用以得到最大的噪声密度

  • 传输光纤(test fiber)需要满足一定恶化的条件

  • 光滤波器(Optical filter)用来把需要测试的光波长滤出来进行测试

  • 光电转换模块(OE)用来将光信号转换成电信号,一路给到示波器测试,另一路通过时钟恢复模块恢复出时钟给到示波器做触发。示波器作为接收端,会模仿实际接收端的结构,带有一个带宽为13.28125 GHz的4阶贝塞尔滤波器。并且用一个5阶的FFE滤波器对眼图进行睁大处理

  • 时钟恢复模块(CRU)用来从电信号中恢复出时钟


但是实际测试过程中,为了增加测试效率,并不需要这么复杂的调试步骤,以下是简化版的测试框图:

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甚至可以进一步把CDR也去掉,测试框图如下,用BERT的时钟做示波器的trigger。但是PAM4的测试对时钟信号质量要求比较高,笔者发现在实际测试中,时钟的差异会明显影响TDECQ的测试结果。建议为了得到更好的TDECQ测试结果, 用CDR恢复的时钟作为trigger。

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介绍完了发射端,下面是接收端的参数。 接收端基本同NRZ类似,主要需要注意的地方由于PAM4系统误码并不能达到1E-12,所以灵敏度采用的误码率是2.4E-4,即降低接收端的光功率一直到误码率增大到2.4E-4时,此时的光功率即为灵敏度值。

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二. 400G光模块测试痛点


痛点一:TDECQ测试效率低

TDECQ测试是为了适应量产测试,而制定的一个快速测试发射端性能的参数。但是目前市场上的示波器测TDECQ时,数据搜集以及处理的时间,都在10s以上。这样对于量产来说,很耗费时间。


痛点二:TDECQ测试示波器成本高昂

目前主流的PAM4光口示波器价格不菲,在光模块测试中,成本比重最高。如果有性价比高的示波器或者测试方法,也是一种很好的选择,那何乐而不为呢?


痛点三:误码测试不能很好反映传输性能

传统NRZ传输中,虽然以太网协议规定误码率只要5E-5,但实际上背靠背传输,可以做到0误码。所以FEC在光模块量产测试中的优势体现的不是特别明显。但是由于PAM4系统测试中,并不能无误码传输,那如何评价光模块的误码率的优劣呢?假若两个都是同一量级的误码率水平,实际性能一定是一样的吗?


对于这些400G测试方案以及测试痛点,www.402.com公司已经有很好的解决办法;请移步下一章节。


三. www.402.com公司400G光模块测试解决方案


众所周知,光模块测试可以分为三部分:发射端光口参数测试/接收端光口测试/系统测试。发射接收端的主要测试参数在文章第一部分已经有所介绍,简单起见,以下将发射端与接收端测试系统分开来描述。


下图是发射端参数测试框图,大家有没有很熟悉的感觉?其实可以完全把NRZ的方案直接复制过来即可。其中master也是一个正常的模块,用来给DUT的接收端加串扰。


如果需要测到更精确的TDECQ,示波器(DSO)也可以用利用外置的CDR恢复出时钟做trigger。


需要注意的是,测试光眼图时,由于LR8的光全开时,会超过10dBm,已经大于示波器的承载光功率,光口有可能会被烧坏,保险起见,示波器的光口最好能随时加一个3dB-5dB的固定光衰。

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发射端测试方案所需要用到的主要仪表,也列了出来,可供参考:


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此发射端测试方案可测试参数如下:


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本方案可以解决上文中TDECQ测试痛点,即光口示波器ML4015D由于性价比高,测试结果稳定,已受到众多光模块厂商的关注。并且下一代版本可以直接将TDECQ测试时间降低到史无前例的2s,这将大大减少测试时间,提高测试产能!


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图14.jpg


接收端的测试方案框图同NRZ测试也无太大区别,如下所示:

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以上两个测试方案,可以根据客户需要,很方便的合并成一套方案。


接收端的测试方案,也支持双向误码测试。这里要说到上文中的第三个痛点,也就是假若两个光模块都是同一量级的误码率水平,实际性能一定是一样的吗?答案是不一定一样!


这里就建议客户也同时进行加FEC误码测试,这样就能知道原始误码率经过FEC纠错后的修正误码率,可以更好地模拟系统层面的流量测试,同时由于加FEC测试与不加FEC测试是同时进行的,所以并不会多占用测试时间。而www.402.com公司具有对应的Multilane PAM4误码仪来进行加FEC流量测试。


以上的400G LR8同理只需要稍微变换,则可以将此配置直接移植到QSFP-DD SR8/OSFP LR8/的应用中。而如果要测试QSFP-DD DR4/LR4以及 OSFP DR4/LR4,由于光路是单波100G(53Gbaud/s),示波器ML4015D还必须要加配一个CDR的时钟恢复模块,来产生触发信号。


有的小伙伴可能会问到,谈来谈去都是在测试光的参数性能,那电口的性能呢?从之前的经验来看,接收端接收到光信号再通过电芯片恢复出电信号后,由于电芯片的工艺比较成熟,这个电信号信号质量一般都不会差,电眼图测试效率也很高,良率也基本是100%,所以不是很重要的测试。当然如果是下游厂商一定需要测电信号指标,倒是可以加上这个测试。这个测试可以拦截一部分由于PCBA工艺或人为造成的单端信号断路的不良。


但是以上的测试方案有两点不足的地方,即:

  1. 误码仪跟光模块测试板是独立的仪器,需要用到大量的高频线缆连接,仅仅DUT端就需要32根高频线缆将误码仪与测试板相连,这在实际应用中,很耗费时间。

  2. 由于误码仪与光模块测试板用cable线相连,导致实际到光模块的电信号会经过cable线损耗,信号质量变差,给系统带来一定的不稳定性。


针对以上两点不足,multilane也推出有400G BERT+MCB 一体化测试方案。也即直接将测试板嵌入到误码仪中,这样能够有效的保证信号完整性。


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