相干光模塊的測試指南

  從上世紀(jì)90年代末的1x9光模塊開始， 到2000年代的GBIC, XENPAK, SFP/XFP等;2010年代開始出現(xiàn)100G光模塊CFP、發(fā)展到第二代的CFP2, CFP4、第三代的QSFP28;然后是2016年底開始的400G光模塊CFP8，到今天已被規(guī)模部署的OSFP,QSFP56-DD。標(biāo)準(zhǔn)化、可插拔的客戶側(cè)光模塊經(jīng)過多年發(fā)展早已是光通信客戶側(cè)業(yè)務(wù)接入的必然選擇。

  而對(duì)于城域大容量數(shù)據(jù)連接或著長距離傳輸接口，也就是通常所說的線路側(cè)接口，傳統(tǒng)的做法是各個(gè)設(shè)備廠家自行開發(fā)專用接口板，采用私有的高階調(diào)制方式及FEC編解碼算法。造成的后果是不同廠家之間的接口不能互通，測試方面除了通過廠家自己的管理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測外，基本上無法使用第三方工具測量傳輸質(zhì)量，最多只能在光物理層通過功率和信噪比參數(shù)來推演連接質(zhì)量。

  隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展、云基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及AI人工智能運(yùn)算方面的需求，除長途傳輸業(yè)務(wù)外，大量的數(shù)據(jù)中心之間需要海量的數(shù)據(jù)交換。為了滿足簡單開放的高速互聯(lián)，各種白盒、灰盒設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。連接方式上，經(jīng)過美國ACACIA公司(已被CISCO公司收購)的多年耕耘以及各種開放組織的大力推進(jìn)，用于長距離傳輸?shù)?、?biāo)準(zhǔn)化的可插拔模塊得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，多個(gè)傳統(tǒng)光模塊廠商甚至已經(jīng)放棄客戶側(cè)模塊業(yè)務(wù)，全力研發(fā)線路側(cè)傳輸應(yīng)用。當(dāng)前采用相干檢測的線路側(cè)光模塊研發(fā)熱點(diǎn)是QSFPDD-ZR, OpenZR+, CFP2-DCO(以下統(tǒng)稱相干光模塊)，分別對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場景，支持的業(yè)務(wù)類型和采用的FEC算法也有所不同。

  比起客戶側(cè)光模塊，相干光模塊基本上需要把原來設(shè)備單盤上實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能放在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模塊封裝里，這對(duì)模塊內(nèi)部采用的器件集成度、模塊的功耗散熱管理以及功能配置管理都是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

  從功能構(gòu)成框圖來看，相干光模塊遠(yuǎn)比客戶側(cè)光模塊復(fù)雜，典型的構(gòu)成包括集成發(fā)射組件ITLA，集成相干接收組件ICR和DSP數(shù)字信號(hào)處理部分。從模塊研發(fā)制造的角度看，由于其復(fù)雜程度，多數(shù)光模塊廠家都不能做到自己生產(chǎn)所有部件，而是通過購買不同供應(yīng)商的零部件進(jìn)行組裝。

高速客戶側(cè)光模塊功能框圖

相干光模塊功能框圖

  我們知道，測試是研發(fā)和制造優(yōu)質(zhì)合格產(chǎn)品的基礎(chǔ)，由于相干光模塊的高集成度和復(fù)雜性，我們必須把光模塊當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體的性能測試，就像一直以來把線路側(cè)單盤進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測試一樣，而不能單獨(dú)當(dāng)作部件進(jìn)行分立測試。我們可以把整體測試分為下面幾個(gè)部分，通過了這些測試的光模塊就證明了可以工作在任何符合標(biāo)準(zhǔn)的通信設(shè)備和系統(tǒng)中。

  1、承載業(yè)務(wù)的測試

  承載業(yè)務(wù)的目的是檢查光模塊是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，承載指定的客戶業(yè)務(wù)，比如100GE/200GE/400GE以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，OTN業(yè)務(wù)。由于高速業(yè)務(wù)中通過FEC編解碼進(jìn)行糾錯(cuò)必不可少，對(duì)FEC的糾錯(cuò)性能也需要進(jìn)行評(píng)估。傳統(tǒng)意義上的誤碼儀基本上不能完成這個(gè)工作，原因有多個(gè)方面，概況起來主要有三點(diǎn)：

  a. 多通道并行問題，比如400GE業(yè)務(wù)需要8x50G通道或者4x100G通道，使用誤碼儀方案一是經(jīng)濟(jì)性不好，二是基本無法進(jìn)行通道同步控制，也就無法進(jìn)行通道Skew測試

  b. 無法全面評(píng)估FEC性能，雖然有些誤碼儀聲稱支持某些FEC算法，但這些FEC是基于某個(gè)通道的，并不是真正基于400GE/OTN幀的FEC。對(duì)于這些業(yè)務(wù)信號(hào)，F(xiàn)EC需要在多通道同步對(duì)齊并解Skew后才能解碼。

  c. 不支持真正的承載業(yè)務(wù)，對(duì)于400GE/OTN承載業(yè)務(wù)，用戶最終關(guān)心的是基于以太網(wǎng)/OTN的性能結(jié)果。

  許多業(yè)務(wù)測試的儀表同時(shí)具備通道誤碼儀的功能，支持在模塊電接口進(jìn)行預(yù)加重和均衡處理。應(yīng)用業(yè)務(wù)測試儀表對(duì)光模塊進(jìn)行測試的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

  d. 同時(shí)支持誤碼儀的非成幀測試，除了支持PRBS碼型外，還可以支持PAM4專用測試碼型比如PRBS13Q, SSPRQ等

  e. 對(duì)光模塊的實(shí)際工作條件做各種壓力測試如頻率和頻偏，多通道相差(Skew)，F(xiàn)EC壓力，各種錯(cuò)誤仿真等

  f. 支持對(duì)光模塊進(jìn)行管理接口進(jìn)行配置管理和協(xié)議一致性測試

  g. 光模塊DSP內(nèi)部相干參數(shù)的管理

  h. 仿真光模塊的實(shí)際應(yīng)用場景，進(jìn)行真正的用戶感知測試

  2、光層的測試

  光層測試的目的是訓(xùn)練、檢驗(yàn)光模塊在仿真的實(shí)際工作條件下的響應(yīng)和應(yīng)當(dāng)達(dá)到的性能。

  不同于客戶側(cè)模塊簡單的DSP功能，相干光模塊的DSP功能非常復(fù)雜，通常包括：時(shí)鐘恢復(fù)，傳輸鏈路CD/PMD測算和補(bǔ)償，載波相位測算，F(xiàn)EC編解碼，承載業(yè)務(wù)幀監(jiān)測和再生，電連接側(cè)xAUI接口控制等。

  對(duì)相干光模塊光層進(jìn)行測試就是訓(xùn)練和驗(yàn)證這些功能。

  a. OSNR測試

  通過MAP-300儀表仿真被測業(yè)務(wù)信號(hào)OSNR的變化，在模塊的DSP中偵測出來并通過C-CMIS信息上報(bào)，ONT儀表可以直接讀出OSNR信息。

  b. CD/PMD訓(xùn)練測試

  參考業(yè)務(wù)信號(hào)經(jīng)過偏振控制和固定色散的光纖盤仿真CD/PMD，通過ONT儀表讀取DSP偵測的CD/PMD改變。

  c. SOP偏振態(tài)改變測試

  參考業(yè)務(wù)信號(hào)經(jīng)過MAP300偏振控制模塊仿真偏振態(tài)快速變化或者保持，通過ONT儀表讀取模塊的工作狀態(tài)，檢查模塊的接收組件是否能夠容忍快速的偏振態(tài)變化

  d. 路徑濾波器效應(yīng)測試

  全光網(wǎng)絡(luò)中，長途傳輸業(yè)務(wù)要經(jīng)過多級(jí)ROADM節(jié)點(diǎn)，ROADM分插/復(fù)用濾波器對(duì)傳輸信號(hào)的光譜多有改變，通過MAP300的可調(diào)諧濾波器模塊仿真路徑濾波效應(yīng)，可驗(yàn)證相干模塊的接收性能是否受到濾波效應(yīng)的影響。

  e. ONT測試儀的相干參數(shù)管理界

  對(duì)于識(shí)別到的相干模塊，ONT測試儀可以進(jìn)行相干參數(shù)的配置和管理。

  3、模塊管理接口測試

  相干光模塊由于功能豐富，管理配置起來也非常復(fù)雜，不同類型的模塊目標(biāo)應(yīng)用不同，所遵循的標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)不同。由于產(chǎn)品的研發(fā)剛剛開始，還在摸索階段，目前除OIF今年通過的針對(duì)400G-ZR的C-CMIS標(biāo)準(zhǔn)外，其它標(biāo)準(zhǔn)還都在研究中，因此需要一個(gè)對(duì)各個(gè)廠家自行開發(fā)的管理接口進(jìn)行驗(yàn)證是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

  以上介紹了相干模塊測試的項(xiàng)目和方法，希望能夠幫助正在進(jìn)行相干模塊研發(fā)的人們盡快完成測試驗(yàn)證工作，早日將產(chǎn)品推向市場。

  相關(guān)產(chǎn)品：

  1. VIAVI公司的ONT-800

  支持100G/200G/400G以太網(wǎng)業(yè)務(wù)及FlexE，F(xiàn)lexO業(yè)務(wù)，支持QSFP28/QSFP56/QSFP-DD/CFP2插槽及相應(yīng)客戶側(cè)模塊的測試，同時(shí)支持QSFP-DD ZR, ZR+, CFP2-DCO線路側(cè)相干模塊的測試

  2. VIAVI公司的MAP300

  模塊化，多插槽主機(jī)，支持多種測試板卡，如

  2.1 固定波長穩(wěn)定光源，波長可調(diào)光源，寬帶光源和O波段、C+L波段光放大器

  2.2 可調(diào)光衰減器，可調(diào)光濾波器，光偏振控制器

  2.3 各種光開關(guān)，光耦合器/分光器，CDWM分波合波器

  2.4 光功率計(jì)，光譜分析儀/波長計(jì)，插回?fù)p儀

  可組成各類測試系統(tǒng)如：多芯插回?fù)p儀PCT，DWDM ROADM波長掃描系統(tǒng)SWS，無源光器件環(huán)境測試系統(tǒng)OCETS