400 Gb/s热插拔光收发模块测试系统研究

肖 刚，胡 毅，杨俊麒，高万超，孙莉萍

(武汉光迅科技股份有限公司，湖北 武汉 430205)

0 引言

光收发模块(以下简称光模块)是光通信网络中物理层的核心部件之一，主要作用是光电转换和电光转换。光模块可以看作是一种“标准件”，由特定的标准化组织对其进行定义，各光模块厂家均按标准的定义进行开发、生产和测试。相对于技术已经成熟的100 Gb/s光模块，400 Gb/s光模块才刚起步。

本文首先介绍400 Gb/s热插拔光模块的相关标准；然后重点说明光模块测试板的组成结构和工作原理；最后介绍由测试板和测试设备组成的测试系统对光模块光接口和电接口进行测试的原理和方法，以及测试实例。

1 400 Gb/s热插拔光模块相关标准

与400 Gb/s热插拔光模块紧密相关的标准有三类。

第一类为多源协议(multi-source agreement，MSA)，定义了光模块的机械结构、光接口形式(连接器)和电接口形式(金手指)。支持热插拔的400 Gb/s光模块多源协议有三种。目前，业界普遍的共识为：CFP8[1-2]为第一代产品，OSFP[3]为第二代产品，QSFP-DD[4-5]为第三代产品。

第二类为IEEE 802.3系列标准，定义了光接口中的光信号和电接口中的高速差分电信号的技术指标。例如：IEEE 802.3bs标准[6]定义了光接口400GBASE-SR16、400GBASE-DR4、400GBASE-FR8、400GBASE-LR8和电接口400GAUI-8 C2M、400GAUI-16 C2M；IEEE 802.3cm标准[7]定义了光接口400GBASE-SR8。同时，该系列标准也对测试板、测试方法和测试设备作出了原理性的定义。此外，还有标准化组织对此进行补充性的定义。例如，100G Lambda MSA Group定义了光接口400G-FR4[8]。

第三类为OIF-CEI系列标准，定义了电接口中的高速差分电信号的技术指标。其主要在OIF-CEI-04.0标准[9]中定义了CEI-28G-VSR 和CEI-56G-VSR-PAM4，包括对测试板、测试方法和测试设备的原理性定义。其内容与IEEE 802.3系列标准中的相关内容基本相同，在电眼图参数定义、测试时的误码率和参考接收机的滤波器等方面有所不同。

将以上三类标准进行组合后，形成了如表1所示、目前业界主流的400 Gb/s热插拔光模块类型。

表1 目前业界主流的400 Gb/s热插拔光模块类型 Tab.1 Current industry mainstream 400 Gb/s hot-pluggable optical module types

本文后续均以400 Gb/s QSFP-DD FR4光模块为例，进行说明。该模块电接口信号为8×50 Gb/s四阶脉冲幅度调制(4-level pulse amplitude modulation，PAM4)信号，光接口信号为4×100 Gb/s PAM4信号。

2 400 Gb/s热插拔光模块测试板

标准中将光模块测试板定义为一致性测试板(compliance board)，分为模块测试板(module compliance board，MCB)和主机测试板(host compliance board，HCB)。MCB主要用于测试光模块，HCB主要用于测试主机。标准只是从高速差分电信号测试的角度进行了定义，实际使用的测试板还需增加其他功能。

2.1 MCB

MCB原理框图如图1所示。

图1 MCB原理框图 Fig.1 Principle block diagram of MCB

MCB包括电源接口、模块连接器、输入/输出射频连接器、低速信号测试单元、微处理器单元和USB接口。MCB的外形图可以参考Multilane公司的产品资料。

被测光模块的电接口(金手指)与模块连接器连接，通过输入/输出射频连接器引出高速差分电信号，便于测试。低速信号则接入低速信号测试单元，通过LED灯、拨码开关、按键开关和测试点直接测试等方式，实现对MSA协议中相关引脚定义的验证。微处理器单元的功能是通过集成电路总线(inter-integrated circuit，IIC)接口与光模块通信，同时通过USB接口与上位机通信，从而实现上位机与光模块内部单片机之间的通信。通过上位机，可对光模块进行固件升级和寄存器读写操作。

2.2 HCB

HCB原理框图如图2所示。

图2 HCB原理框图 Fig.2 Principle block diagram of HCB

HCB的原理比较简单，主要作用是模拟光模块的外形，将其插入位于主机上的模块连接器后，可将主机印制电路板(printed circuit board，PCB)上的高速差分电信号通过输入/输出射频连接器引出，便于测试。HCB的外形图可以参考Multilane公司的产品资料。

标准对于MCB和HCB上的扇出通道(breakout channel)，即射频连接器和高速差分线的S参数有明确的要求；除了理论仿真外，还可在PCB板上设置复制通道，通过测量复制通道的S参数得出扇出通道的S参数。

MCB和HCB可以自行开发，也可以直接采购成品。无论哪种方式，在测试前都应该详细测试其S参数，验证其是否符合标准的要求。

3 400 Gb/s热插拔光模块测试系统

400 Gb/s光模块标准对PAM4信号的测试参数作出了详细的定义，对测试方法和测试设备也作出了原理性的定义。其中，对于测试设备的要求由设备厂商实现。

3.1 光模块光发射端测试

光模块的光发射端测试框图如图3所示。信号流向为：误码仪发射端(pattern generator，PG)→MCB射频连接器→光模块电接收端→光模块光发射端→示波器。光模块的测试方向是电进光出。

图3 光发射端测试框图 Fig.3 Test block diagram of optical transmitter

400 Gb/s光模块的光接口在发射方向和接收方向上分别有多个光波通道。标准要求是在所有光波通道都处于工作状态时，逐一选取通道进行测试。测试时，在误码仪上按标准要求设置测试码型，通过射频连接器输入光模块电接收端，由光模块完成电光转换后，从光模块的光发射端输出光信号。Keysight N1078A为内置光耦合器的光电时钟恢复仪，输出的电信号用于N1092C示波器的触发信号。输出的光信号用于参数测试。最后，通过示波器对光信号进行眼图测试并由内置软件计算出相关参数。重要的参数为发射机色散眼图闭合代价(transmitter and dispersion eye closure for PAM4，TDECQ)、外光调制幅度(outer optical modulation amplitude，OMAouter)和消光比(extinction ratio，ER)。

Keysight M8040A误码仪的优点在于：可以根据需要调整PAM4信号眼图参数，还可以注入时钟抖动。但是其价格昂贵，且只能支持2路PAM4输出信号。而要使所有的发射光波通道都处于工作状态，需要误码仪具有8路PAM4输出信号。因此，在实际应用中，当光模块处于研发阶段时，往往是通过上位机对光模块内部进行设置，关闭暂不测试的通道，并采用Keysight M8040A误码仪逐一分析和优化每个通道的性能。当光模块处于量产阶段时，则采用低成本的误码仪(如国产的Stelight PBT8856)作为信号源，同时产生8路PAM4输出信号。

3.2 光模块光接收端测试

在光模块光接收端参数中，标准将单通道最小平均接收光功率和接收灵敏度(OMAouter)定义为参考性(informative)，将压力接收灵敏度(OMAouter)定义为强制性(normative)。压力测试使用测试仪器产生一个劣化的光眼图信号(光压力眼信号，标准对压力眼的参数有明确的规定)。该信号通过校准后输入被测接收机，在这种情况下对接收机灵敏度进行测试。

光接收端压力测试框图如图4所示。理论上，最小平均接收光功率和OMAouter也应该使用图4所示框图来测试，只是不需注入抖动、干扰和噪声。

光压力眼信号需要在标准PAM4信号的基础上注入正弦抖动、正弦干扰和高斯噪声。在图4中，由M8040A误码仪产生标准PAM4电信号并注入正弦抖动；由M8196A任意波形发生器的2个通道作为干扰源，分别产生正弦干扰和高斯噪声；通过功分器和定向耦合器，输出电压力眼信号；再由81492A参考发射机、81606A可调光源和81576A可调衰减器，将电压力眼信号转换为具有待测通道波长的光压力眼信号。M8040A误码仪通过反复调整输出眼图参数，使得光压力眼信号符合标准要求。由N1078A光电时钟恢复仪和N1092C示波器对光压力眼信号进行校准(如虚线框所示)后，将其输入合波器。

图4 光接收端压力测试框图 Fig.4 Stress testing block diagram of optical receiver

同时，非压力测试通道的输入光信号(正向串扰信号)由Viavi ONT-603网络协议分析仪上的光模块1产生。该模块与被测光模块为同一型号。网络协议分析仪可以关闭光模块1中与压力测试波长相同的光通道，其余波长的光信号也输入到合波器。

上述光信号经合波器合波后，输入MCB的被测光模块光接收端。该模块完成光电转换后，从MCB的射频连接器上用微波线缆引出被测通道的差分电信号。差分电信号经功分器分路后，一路接到误码仪的接收端(error analyzer，EA)，一路通过N1078A光电时钟恢复仪恢复出时钟信号接到误码仪EA的时钟接口。此时，在误码仪上可监测压力测试通道中的误码率。

由上述说明可知，搭建光压力眼测试系统是一项复杂的工作。它需要各种仪器设备相互配合，并且在测试软件的统一控制下，才能协同完成压力眼的自动校准和测试流程。

目前，能够提供压力眼测试系统的厂商只有Keysight，全套设备价格昂贵且不成熟，因此大部分光模块厂家在实际测试时仍采用最小平均接收光功率进行测试。通过最小平均接收光功率值和消光比值，可以换算出OMAouter值。

光接收端最小平均接收光功率测试框图如图5所示。信号流向为：误码仪PG→MCB射频连接器→光模块电接收端→光模块光接口环回→光模块电发射端→MCB射频连接器→误码仪EA。光模块的测试方向是光进电出。

PAM4光信号最小平均接收光功率的测试方法与不归零码(non return zero,NRZ)光信号完全相同。图5中的误码仪输出的电信号经MCB上的射频连接器输入光模块电接收端，由光模块完成电光转换后，从光模块光发射端输出光信号，经分波器、可调衰减器、耦合器和合波器环回到光接收端。在光发射端的参数完全符合要求的前提下，通过调整可调衰减器，获取满足标准规定误码率(2.4×10-4)[6-8]条件下的单通道最小平均接收光功率。

图5 光接收端最小平均接收光功率测试框图 Fig.5 Test block diagram of minimum average received optical power of optical receiver

3.3 光模块电发射端测试

光模块的电发射端测试框图如图6所示。

图6 电发射端理论测试框图 Fig.6 Theoretical test block diagram of electrical transmitter

信号流向为：误码仪PG→光电转换设备→光模块光接收端→光模块电发射端→MCB射频连接器→示波器。

光模块的测试方向是光进电出。

与3.2节中的设备相同，图6中的误码仪、参考发射机和可调光源用于产生测试通道的PAM4光信号。这个光信号需要先用时钟恢复仪和示波器进校准(如上方虚线框所示)，使其符合标准的要求。同时，非测试通道的输入光信号(正向串扰信号)由ONT-603网络协议分析仪上的光模块1产生，方法同3.2节。以上光信号经合波后输入到被测光模块的光接收端。

此外，在进行电发射端测试时，标准还要求在电接收端输入反向串扰信号。此时，采用2台M8196A产生8路符合要求的反向串扰信号。反向串扰信号需要在光模块测试前使用HCB与MCB对接后用时钟恢复仪和示波器进行校准(如下方虚线框所示)。测试时，光信号从被测光模块光接收端输入，由该模块完成光电转换后，从电发射端输出电信号，经MCB上的射频连接器连接至示波器。示波器对信号进行眼图测试并由内置软件计算出相关参数。与光PAM4信号不同的是，电PAM4信号的评价指标主要为眼高、眼宽和眼对称模板宽度(eye symmetry mask width，ESMW)[6]。

采用上述方法进行测试，需要使用3.2节中光压力眼测试系统中的设备和软件，连接复杂、价格高昂。因此，在实际的测试中，往往采用光模块光接口环回的方法来测试电发射端的输出信号。电发射端实际测试框图如图7所示。按图7进行光模块电发射端测试的前提是：该模块的光发射端和光接收端按3.1节和3.2节中的方法测试后，其参数都已符合标准的要求。

图7 电发射端实际测试框图 Fig.7 Practical test block diagram of electrical transmitter

3.4 光模块电接收端测试

标准对于电接收端的测试同样定义为压力测试。电接收压力测试框图如图8所示。

图8 电接收压力测试框图 Fig.8 Stress testing block diagram of electrical receiver

信号流向为：误码仪PG→MCB射频连接器→光模块电接收端→光模块光发射端。光模块的测试方向是电进光出。

与3.2节中的设备相同，图8中的M8040A误码仪的发射端(PG)有两路输出。其中：一路产生标准的PAM4电信号并注入抖动，从而形成电压力眼信号；另一路用作非测试通道的输入电信号(正向串扰信号)，低成本误码仪PBT8856用于产生另外6路正向串扰信号。校准时，首先将MCB与HCB对接，采用2台M8196A产生反向串扰信号，在MCB的输出端对其进行校准(如左下方虚线框所示)；然后，在反向串扰信号满足要求的条件下，在HCB的输出端对电压力眼信号进行校准(如图8右方虚线框所示)。测试时，因为MCB上已经插入被测光模块，所以反向串扰信号需由被测光模块接收ONT-603网络协议分析仪上光模块1的光发射信号而产生。该模块与被测光模块为同一类型。

由上述说明可知，搭建电压力眼测试系统也是一项复杂的工作，并且标准中只定义了电压力眼测试的原理性要求，没有定义误码仪EA接收信号的测试点。实际测试时，可以从以下几个方面进行测试和评估。

①以光模块内部的Gearbox芯片为测试对象，通过上位机将Gearbox芯片设置为Host侧环回，同时在ONT-603网络协议分析仪上关闭光模块1与测试通道相对应的光通道，将被测光模块电发射端通过射频连接器(测试点1)接到M8040A误码仪EA，监测此时的误码率(应小于1×10-6)[9]。连接时，需采用N1078A光电时钟恢复仪恢复出时钟信号接到误码仪EA的时钟接口，同3.2节图4中的描述，此节省略。

②以光模块内部的Gearbox芯片为测试对象，通过上位机将Gearbox芯片设置为Line侧环回。同时，在ONT-603网络协议分析仪上关闭光模块1与测试通道相对应的光通道，将被测光模块电发射端通过射频连接器(测试点1)接到M8040A误码仪EA，监测此时的误码率(应小于1×10-6)[9]。

③除去光模块外壳，用高频探针直接扎在测试对象的测试点，然后用微波线缆连到M8040A误码仪EA，监测此时的误码率(应小于1×10-6)[9]。

④以光模块为测试对象，再增加一个MCB和被测光模块(如图8上方虚线框所示)，将该模块的电发射端信号通过射频连接器(测试点2)接到M8040A误码仪EA。此时的测试路径中既有光通道又有电通道，不能以电通道的误码率1×10-6作为评价标准，必须打开Gearbox芯片的前向纠错(forward error correction，FEC)功能，以标准规定的误码率1×10-15作为评价标准[9]。

3.5 光模块成帧数据测试

3.1节～3.4节讨论的测试均是针对单个通道，测试数据是非成帧数据。除了针对单个通道的测试外，还需要在光模块的全部通道都处于工作状态时，对其进行成帧数据的测试。测试数据涉及物理层中的物理媒体相关(physical medium dependent，PMD)子层、物理媒体连接(physical medium attachment，PMA)子层和物理编码(physical coding sublayer，PCS)子层等。成帧数据测试框图如图9所示。信号流向为：光模块光接收端→光模块电发射端→MCB射频连接器环回→光模块电接收端→光模块光发射端。光模块的测试方向是光进光出。

图9 成帧数据测试框图 Fig.9 Test block diagram of framed data

PAM4技术虽然减少了信号的传输带宽需求，但其原始误码率的要求比较低(对光信号的误码率要求仅为2.4×10-4，对电信号的误码率要求仅为1×10-6)[6,9]。为了使误码率降低到正常通信的要求，FEC技术[10-11]被普遍采用。标准规定FEC在PCS子层中实现，而M8040A误码仪只能产生非成帧数据，所以对FEC的统计和分析功能需要由网络协议分析仪来实现。

ONT-603网络协议分析仪上的光模块1和MCB上的被测光模块为同一型号，二者使用光纤连接。同时，将MCB上的射频连接器进行环回连接，使得被测光模块的电接口处于自环状态。成帧的测试数据由ONT-603网络协议分析仪产生，经测试通道返回后，由协议分析仪对数据进行统计分析。

4 测试实例

采用上述测试板和测试系统，对光迅公司开发的400 Gb/s QSFP-DD FR4光模块进行测试。其中，1 311 nm通道的测试结果如下。

①光发射端。发射机色散眼图闭合代价(TDECQ)为2.28 dB、外光调制幅度(OMAouter)为1.96 dBm、消光比(ER)为5.06 dB。

②光接收端。接收灵敏度(OMAouter)为-7.21 dBm，而压力接收灵敏度(OMAouter)为-5.18 dBm。

③电发射端。按IEEE 802.3bs标准计算出的眼图主要参数为：近端眼高70.8 mV、近端眼宽332 mUI、近端眼对称模板宽度162.5 mUI(此处的测试值是指三个眼距离时间中心的左右幅度中的最小值)。

④电接收端。将Gearbox芯片设置为Host侧环回，误码率为2.88×10-13；将Gearbox芯片设置为Line侧环回，误码率为4.54×10-13。

⑤成帧测试。挂机24 h，ONT-603网络协议分析仪显示无误码。

5 结论

虽然3种400 Gb/s热插拔光模块MSA中的定义有所不同，但是光模块的内部结构和工作原理基本相同，相关测试也围绕光接口和电接口而展开。测试系统只有采用按标准开发的测试板，以及具备PAM4信号测试功能的测试设备，才能完备、详尽地测试各种参数，从而全面评估光模块的性能。

目前，400 Gb/s系列光模块仍处于研发和小批量供货阶段，相关标准、PAM4光电信号的测试方法和测试设备也在不断完善中。已正式发布PAM4信号测试设备的厂商主要为少数几家国外厂商，如Keysight、Tektronix、Anritsu、Viavi和EXFO。在此阶段，应该认真分析各种标准，针对光模块光接口和电接口进行全面的测试和分析，为量产阶段打下必要的技术基础。