技術文章 | 如何全面評估共封裝光學組件(CPO)性能

  背景介紹

  目前正在部署的超大規(guī)模數據中心正專注于更換光接口，以促進“Beyond 400G”大變革。為了進一步提高數據傳輸速度，數據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，為了實現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(CPO)技術的光接口，這與當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。標準化工作由光互聯論壇(OIF)共封裝框架實施協議(IA)、板載光學聯盟(COBO)共封裝光學工作組等負責。OIF的目標是使用16個光引擎實現51.2 Tbps的以太網交換，環(huán)繞交換芯片ASIC的每個引擎可達3.2 Tbps(8×400 GbE)，如圖1所示。以太網交換機有望成為實現大容量傳輸的新解決方案，同時解決數據中心功耗上升的問題。

  本文將介紹如何測試每個CPO的特性。

  CPO概述

  不斷增長的使用機器學習和人工智能的新應用需求需要更高速的通信。當前使用可插拔光模塊的數據中心以太網交換正在向更快的800GbE遷移。對于800GbE，內部交換芯片ASIC和光模塊之間的電連接需要傳輸53Gbaud的PAM4信號。當長距離傳輸高速信號時，需要改進數字修正以補償不斷增加的損耗，這會導致高功耗和冷卻成本。此外，交換機內部和外部的有限空間會導致實現未來高速1.6TbE時出現問題。

  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。這不是一個新概念，也用于板載光學(OBO)業(yè)務。使用SiP技術的組件集成的進步吸引了人們對CPO的新興趣，CPO是一種高密度實現技術，有助于包括交換芯片ASIC、光引擎、激光光源和光纖在內多個組件的組合。

  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，并正在宣布一個概念模型。此外，作為一種實用的CPO實現，正在討論使用外部光源和連接器改進維護的近封裝光學(NPO)設計。未來將光引擎、激光光源和ASIC組合在一個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模塊測試點

  圖2顯示了圖1中CPO/NPO(第3項)的測試點。主要的三個測試點如下所示：

  · 交換芯片ASIC電信號測試

  · 光引擎光信號測試

  · CPO 交換模塊以太網信號測試

  交換芯片ASIC和光引擎上的電信號和光信號使用標準化接口。測試以確保滿足該標準是保證整個系統正確運行的關鍵。

圖2 CPO 模塊測試點

  交換芯片ASIC的電信號測試

  交換芯片ASIC電信號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的完整性，阻礙了設備的互操作性。因此，此性能測試對于確保互操作性非常重要。CPO 電接口采用CEI-112G-XSR-PAM4 標準。此外，正在討論對CEI-112G-XSR+-PAM4的支持，以支持NPO應用。

  可以使用MP1900A信號質量分析儀來評估比特誤碼。該模塊化8插槽的測試設備執(zhí)行支持NRZ/PAM4信號調制的DUT所需的高速電信號測試，每個通道支持32 和64 Gbaud。

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

圖3 交換芯片ASIC壓力測試

(注：Synthesizer:時鐘源，Jitter:抖動源，PPG：脈沖碼型發(fā)生器，ED：誤碼檢測器，Noise：噪聲源，Differential:差分接口)

  光引擎的光信號測試

      · 使用采樣示波器進行波形評估

  評估從眼圖波形觀察到的光數字信號質量對于光引擎來說是必要的，光引擎的光信號基于與具有PAM4調制技術的可插拔光模塊相同的400GBASE標準。PAM4的發(fā)射色散眼圖閉合四相(TDECQ)被用作PAM4波形評估指標。

  可以使用BERTWave MP2110A評估眼圖波形，這是一款理想的一體化測試解決方案，用于測量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試裝置。來自光引擎的光輸出信號被輸入到MP2110A的每個通道，400GBASE-DR4使用帶多芯連接器(如MPO)的分接光纜將信號輸入示波器。400GBASE-FR4使用DEMUX將信號解復用到示波器，因為光波長是被WDM復用了的。

  采樣示波器需要一個觸發(fā)信號來同步數據信號。在許多情況下，光引擎不輸出單獨的觸發(fā)信號。在這種情況下，使用時鐘恢復單元(CRU)支持在沒有外部觸發(fā)信號的情況下進行光引擎測試，因為觸發(fā)信號可以直接從光輸入信號中恢復。輸入到MP2110A CRU的信號由內置分光器分離，一個信號用于時鐘恢復，另一個信號從外部輸出到示波器，以評估多達四個信號通道，包括輸入到CRU的信號。

圖4 光引擎光信號測試(400GBASE-DR4)(注：Optical Engine：光引擎)

圖5 光引擎光信號測試(400GBASE-FR4) (注：Optical Engine：光引擎)

  使用400GBASE×8的OIF定義的3.2 Tbps光引擎必須測試32個通路。由于傳統的可插拔光模塊使用四到八個通路，CPO通路數量的大幅增加帶來了新的挑戰(zhàn)。這種情況下的測試方法是使用多個測試儀器進行并行測量，或者使用光開關進行測量。盡管使用多臺MP2110A可以快速并行評估32個通路，但設備投資成本很高。光開關的替代使用降低了成本，但測試時間更長，因為一次只能評估四個通路。在設備投資成本和測試時間之間需要權衡。因此，用戶需要根據投資成本或測試時間的相對重要性來選擇最佳測試方案。

  · 使用光譜分析儀進行光譜評估

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

  一些CPO設計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。每個通道的ELSFP光輸出功率非常高，可達+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顯示了一個使用MS9740B光譜儀的測試示例。如前所述，由于ELSFP在連接器側輸出光信號，因此捕獲光信號是困難的，評估獨立的ELSFP需要評估板來捕獲光信號?；蛘?，可以在光引擎和ELSFP耦合的同時評估從光引擎輸出的信號的光譜。

  由于ELSFP的光輸出功率高，在測試時必須小心。如果可能超過測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內置可設置的光衰減器，可測量高達+23 dBm的光功率。

圖6 光引擎光譜測試(400GBASE-FR4) 

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

  此外，如圖7所示，當與使用第5.1節(jié)中描述的采樣示波器進行評估相結合時，可以同時測試光信號波形和光譜，從而能夠評估光引擎所需的所有參數。

圖7 光引擎光信號測試(400GBASE-FR4) 

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

  CPO交換模塊的以太網信號測試

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

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

  Network Master Pro MT1040A以太網測試儀可以評估無誤碼數據傳輸和FEC算法糾正范圍內的誤碼數量。如圖8所示，MT1040A顯示了實際以太網幀發(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交換模塊的以太網測試裝置，該裝置使用安裝了兩個400G光模塊的MT1040A評估兩個400G端口。輸入從CPO交換模塊的一個端口輸出的光信號，同時將從DUT#2接收該輸入的光信號輸出輸入到CPO交換模塊的另一個端口，支持交換性能評估，例如幀丟失、錯誤幀和時延測試。此外，可以識別FEC碼字(CW)錯誤，以評估所有接收到的FEC CW的分布。如圖8所示，用戶可以實時觀察測試結果，并為任何符號錯誤設置閾值級別，以輕松掌握綠色、黃色和紅色編碼的結果。

圖9 CPO 交換模塊以太網測試

  總  結

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