技术文章 | 如何全面评估共封装光学组件(CPO)性能

  背景介绍

  目前正在部署的超大规模数据中心正专注于更换光接口，以促进“Beyond 400G”大变革。为了进一步提高数据传输速度，数据中心的可插拔光模块开始采用800 GbE和1.6 TbE QSFP-DD/OSFP模块。

  与此同时，为了实现更大的容量和更高的集成度，业界正在开发使用共封装光学(CPO)技术的光接口，这与当前的光模块接口有着根本的不同。CPO是将使用硅光子(SiP)技术的交换芯片ASIC和光模块共同安装在所需面积最小的板上的封装。标准化工作由光互联论坛(OIF)共封装框架实施协议(IA)、板载光学联盟(COBO)共封装光学工作组等负责。OIF的目标是使用16个光引擎实现51.2 Tbps的以太网交换，环绕交换芯片ASIC的每个引擎可达3.2 Tbps(8×400 GbE)，如图1所示。以太网交换机有望成为实现大容量传输的新解决方案，同时解决数据中心功耗上升的问题。

  本文将介绍如何测试每个CPO的特性。

  CPO概述

  不断增长的使用机器学习和人工智能的新应用需求需要更高速的通信。当前使用可插拔光模块的数据中心以太网交换正在向更快的800GbE迁移。对于800GbE，内部交换芯片ASIC和光模块之间的电连接需要传输53Gbaud的PAM4信号。当长距离传输高速信号时，需要改进数字修正以补偿不断增加的损耗，这会导致高功耗和冷却成本。此外，交换机内部和外部的有限空间会导致实现未来高速1.6TbE时出现问题。

  CPO是解决上述问题的封装方法之一。将光模块和附近的ASIC安装在同一块板上，不仅缩短了电路径以降低功耗和冷却成本，而且有助于提高带宽。这不是一个新概念，也用于板载光学(OBO)业务。使用SiP技术的组件集成的进步吸引了人们对CPO的新兴趣，CPO是一种高密度实现技术，有助于包括交换芯片ASIC、光引擎、激光光源和光纤在内多个组件的组合。

  图1说明了从可插拔光模块到CPO的演变。目前，由光引擎包围ASIC的CPO正在研究中，并正在宣布一个概念模型。此外，作为一种实用的CPO实现，正在讨论使用外部光源和连接器改进维护的近封装光学(NPO)设计。未来将光引擎、激光光源和ASIC组合在一个芯片中的更高集成度方案正在考虑之中。

图1 光模块的演变

  CPO模块测试点

  图2显示了图1中CPO/NPO(第3项)的测试点。主要的三个测试点如下所示：

  · 交换芯片ASIC电信号测试

  · 光引擎光信号测试

  · CPO 交换模块以太网信号测试

  交换芯片ASIC和光引擎上的电信号和光信号使用标准化接口。测试以确保满足该标准是保证整个系统正确运行的关键。

图2 CPO 模块测试点

  交换芯片ASIC的电信号测试

  交换芯片ASIC电信号受到各种重要特性的影响，如外部影响、压力、传输通道，这些特性降低了信号的完整性，阻碍了设备的互操作性。因此，此性能测试对于确保互操作性非常重要。CPO 电接口采用CEI-112G-XSR-PAM4 标准。此外，正在讨论对CEI-112G-XSR+-PAM4的支持，以支持NPO应用。

  可以使用MP1900A信号质量分析仪来评估比特误码。该模块化8插槽的测试设备执行支持NRZ/PAM4信号调制的DUT所需的高速电信号测试，每个通道支持32 和64 Gbaud。

  图3显示了交换芯片ASIC电信号压力测试装置的示例。通过配置PAM4 PPG/ED(脉冲码型发生器/误码检测器)、合成源、抖动和噪声模块，一体化MP1900A模拟外部压力以简化此测试。参考时钟从合成源模块输出，用于输入到产生抖动压力如SJ、RJ、BUJ等的抖动模块。抖动的时钟信号由PPG模块使用，以生成测试码型输出信号。输出信号被发送到噪声模块，在该噪声模块中添加噪声。增加了抖动和噪声的压力信号被提供给交换芯片ASIC。从接收压力信号的交换芯片ASIC输出的信号被发送到ED，在ED中通过与原始信号进行比较来评估BER。

图3 交换芯片ASIC压力测试

(注：Synthesizer:时钟源，Jitter:抖动源，PPG：脉冲码型发生器，ED：误码检测器，Noise：噪声源，Differential:差分接口)

  光引擎的光信号测试

      · 使用采样示波器进行波形评估

  评估从眼图波形观察到的光数字信号质量对于光引擎来说是必要的，光引擎的光信号基于与具有PAM4调制技术的可插拔光模块相同的400GBASE标准。PAM4的发射色散眼图闭合四相(TDECQ)被用作PAM4波形评估指标。

  可以使用BERTWave MP2110A评估眼图波形，这是一款理想的一体化测试解决方案，用于测量10G至800G光模块和分析NRZ/PAM4眼图。

  图4和图5显示了使用采样示波器的测试装置。来自光引擎的光输出信号被输入到MP2110A的每个通道，400GBASE-DR4使用带多芯连接器(如MPO)的分接光缆将信号输入示波器。400GBASE-FR4使用DEMUX将信号解复用到示波器，因为光波长是被WDM复用了的。

  采样示波器需要一个触发信号来同步数据信号。在许多情况下，光引擎不输出单独的触发信号。在这种情况下，使用时钟恢复单元(CRU)支持在没有外部触发信号的情况下进行光引擎测试，因为触发信号可以直接从光输入信号中恢复。输入到MP2110A CRU的信号由内置分光器分离，一个信号用于时钟恢复，另一个信号从外部输出到示波器，以评估多达四个信号通道，包括输入到CRU的信号。

图4 光引擎光信号测试(400GBASE-DR4)(注：Optical Engine：光引擎)

图5 光引擎光信号测试(400GBASE-FR4) (注：Optical Engine：光引擎)

  使用400GBASE×8的OIF定义的3.2 Tbps光引擎必须测试32个通路。由于传统的可插拔光模块使用四到八个通路，CPO通路数量的大幅增加带来了新的挑战。这种情况下的测试方法是使用多个测试仪器进行并行测量，或者使用光开关进行测量。尽管使用多台MP2110A可以快速并行评估32个通路，但设备投资成本很高。光开关的替代使用降低了成本，但测试时间更长，因为一次只能评估四个通路。在设备投资成本和测试时间之间需要权衡。因此，用户需要根据投资成本或测试时间的相对重要性来选择最佳测试方案。

  · 使用光谱分析仪进行光谱评估

  光谱分析仪(OSA)可以评估光信号的特性，如中心波长、光谱宽度、边模抑制比(SMSR)。通常，中心波长、光谱宽度和SMSR等特性会波动。如果这些特性超过了允许的值，则收发器被评估为未通过测试。

  一些CPO设计使用光引擎以外的光源。光源通常具有高故障率，并且在高温环境中存在可靠性问题。作为解决这一可靠性问题的对策，OIF将易于更换的外部光源定义为外部激光小尺寸可插拔(ELSFP)光源。每个通道的ELSFP光输出功率非常高，可达+20dBm。因此，与一般的可插拔光收发器不同，ELSFP通常使用盲配方法在连接器侧输出光功率。所以，用户可以在完全安全的情况下更换ELSFP，而不暴露于高输出激光器。

  图6显示了一个使用MS9740B光谱仪的测试示例。如前所述，由于ELSFP在连接器侧输出光信号，因此捕获光信号是困难的，评估独立的ELSFP需要评估板来捕获光信号。或者，可以在光引擎和ELSFP耦合的同时评估从光引擎输出的信号的光谱。

  由于ELSFP的光输出功率高，在测试时必须小心。如果可能超过测试仪器的最大光输入功率，则必须在ELSFP和OSA之间插入光衰减器。MS9740B内置可设置的光衰减器，可测量高达+23 dBm的光功率。

图6 光引擎光谱测试(400GBASE-FR4) 

(注：Optical Engine：光引擎，Optical switch：光开关)

  此外，如图7所示，当与使用第5.1节中描述的采样示波器进行评估相结合时，可以同时测试光信号波形和光谱，从而能够评估光引擎所需的所有参数。

图7 光引擎光信号测试(400GBASE-FR4) 

(注：Optical Engine：光引擎，Optical switch：光开关)

  CPO交换模块的以太网信号测试

  CPO交换模块测试需要物理层和更高层，这可以使用以太网测试仪来执行测试。

  CPO交换模块使用PAM4调制和400GBASE光信号来提高传输效率。由于幅度电平的下降，高速传输可能导致信号错误的概率增加。因此，IEEE指定的前向误码纠错(FEC)用于纠正信号传输过程中发生的任何误码，并确保高可靠性通信。不幸的是，FEC具有一些限制，并且FEC算法不能纠正信号中过多的连续误码，从而导致传输质量的大幅下降。

  Network Master Pro MT1040A以太网测试仪可以评估无误码数据传输和FEC算法纠正范围内的误码数量。如图8所示，MT1040A显示了实际以太网帧发送和接收环境中的光模块FEC分布特性。

图8 FEC分布特性

  图9显示了双端口CPO交换模块的以太网测试装置，该装置使用安装了两个400G光模块的MT1040A评估两个400G端口。输入从CPO交换模块的一个端口输出的光信号，同时将从DUT#2接收该输入的光信号输出输入到CPO交换模块的另一个端口，支持交换性能评估，例如帧丢失、错误帧和时延测试。此外，可以识别FEC码字(CW)错误，以评估所有接收到的FEC CW的分布。如图8所示，用户可以实时观察测试结果，并为任何符号错误设置阈值级别，以轻松掌握绿色、黄色和红色编码的结果。

图9 CPO 交换模块以太网测试

  总  结

  本文解释了交换芯片ASIC电信号、光引擎光信号和CPO交换模块以太网信号测试这三种类型的CPO测试。随着CPO集成度的进展，互操作性测试和评估非常重要。安立公司拥有广泛的测试方案，包括BERT、采样示波器、光谱分析仪、以太网测试仪等，可提供理想的解决方案。为了评估CPO性能，安立支持针对CPO性能和兼容性要求的电气和光测试解决方案。