2020/9/24 11:24

相干光模块的测试指南

厂商供稿

从上世纪90年代末的1x9光模块开始，到2000年代的GBIC, XENPAK, SFP/XFP等；2010年代开始出现100G光模块CFP、发展到第二代的CFP2, CFP4、第三代的QSFP28；然后是2016年底开始的400G光模块CFP8，到今天已被规模部署的OSFP,QSFP56-DD。标准化、可插拔的客户侧光模块经过多年发展早已是光通信客户侧业务接入的必然选择。

而对于城域大容量数据连接或着长距离传输接口，也就是通常所说的线路侧接口，传统的做法是各个设备厂家自行开发专用接口板，采用私有的高阶调制方式及FEC编解码算法。造成的后果是不同厂家之间的接口不能互通，测试方面除了通过厂家自己的管理系统进行监测外，基本上无法使用第三方工具测量传输质量，最多只能在光物理层通过功率和信噪比参数来推演连接质量。

随着互联网业务的发展、云基础设施的建设以及AI人工智能运算方面的需求，除长途传输业务外，大量的数据中心之间需要海量的数据交换。为了满足简单开放的高速互联，各种白盒、灰盒设备应运而生。连接方式上，经过美国ACACIA公司（已被CISCO公司收购）的多年耕耘以及各种开放组织的大力推进，用于长距离传输的、标准化的可插拔模块得到越来越多的关注和应用，多个传统光模块厂商甚至已经放弃客户侧模块业务，全力研发线路侧传输应用。当前采用相干检测的线路侧光模块研发热点是QSFPDD-ZR, OpenZR+, CFP2-DCO（以下统称相干光模块），分别对应不同的应用场景，支持的业务类型和采用的FEC算法也有所不同。

比起客户侧光模块，相干光模块基本上需要把原来设备单盘上实现的复杂功能放在一个标准的模块封装里，这对模块内部采用的器件集成度、模块的功耗散热管理以及功能配置管理都是一个严峻的挑战。

从功能构成框图来看，相干光模块远比客户侧光模块复杂，典型的构成包括集成发射组件ITLA，集成相干接收组件ICR和DSP数字信号处理部分。从模块研发制造的角度看，由于其复杂程度，多数光模块厂家都不能做到自己生产所有部件，而是通过购买不同供应商的零部件进行组装。

高速客户侧光模块功能框图

相干光模块功能框图

我们知道，测试是研发和制造优质合格产品的基础，由于相干光模块的高集成度和复杂性，我们必须把光模块当作一个系统进行整体的性能测试，就像一直以来把线路侧单盘进行系统级测试一样，而不能单独当作部件进行分立测试。我们可以把整体测试分为下面几个部分，通过了这些测试的光模块就证明了可以工作在任何符合标准的通信设备和系统中。

1.承载业务的测试

承载业务的目的是检查光模块是否能够达到设计目标，承载指定的客户业务，比如100GE/200GE/400GE以太网业务，OTN业务。由于高速业务中通过FEC编解码进行纠错必不可少，对FEC的纠错性能也需要进行评估。传统意义上的误码仪基本上不能完成这个工作，原因有多个方面，概况起来主要有三点：

a.多通道并行问题，比如400GE业务需要8x50G通道或者4x100G通道，使用误码仪方案一是经济性不好，二是基本无法进行通道同步控制，也就无法进行通道Skew测试

b.无法全面评估FEC性能，虽然有些误码仪声称支持某些FEC算法，但这些FEC是基于某个通道的，并不是真正基于400GE/OTN帧的FEC。对于这些业务信号，FEC需要在多通道同步对齐并解Skew后才能解码。

c.不支持真正的承载业务，对于400GE/OTN承载业务，用户最终关心的是基于以太网/OTN的性能结果。

许多业务测试的仪表同时具备通道误码仪的功能，支持在模块电接口进行预加重和均衡处理。应用业务测试仪表对光模块进行测试的优点主要体现在：

d.同时支持误码仪的非成帧测试，除了支持PRBS码型外，还可以支持PAM4专用测试码型比如PRBS13Q, SSPRQ等

e.对光模块的实际工作条件做各种压力测试如频率和频偏，多通道相差(Skew)，FEC压力，各种错误仿真等

f.支持对光模块进行管理接口进行配置管理和协议一致性测试

g.光模块DSP内部相干参数的管理

h.仿真光模块的实际应用场景，进行真正的用户感知测试

2.光层的测试

光层测试的目的是训练、检验光模块在仿真的实际工作条件下的响应和应当达到的性能。

不同于客户侧模块简单的DSP功能，相干光模块的DSP功能非常复杂，通常包括：时钟恢复，传输链路CD/PMD测算和补偿，载波相位测算，FEC编解码，承载业务帧监测和再生，电连接侧xAUI接口控制等。

对相干光模块光层进行测试就是训练和验证这些功能。

a.OSNR测试

通过MAP-300仪表仿真被测业务信号OSNR的变化，在模块的DSP中侦测出来并通过C-CMIS信息上报，ONT仪表可以直接读出OSNR信息。

b.CD/PMD训练测试

参考业务信号经过偏振控制和固定色散的光纤盘仿真CD/PMD，通过ONT仪表读取DSP侦测的CD/PMD改变。

c.SOP偏振态改变测试

参考业务信号经过MAP300偏振控制模块仿真偏振态快速变化或者保持，通过ONT仪表读取模块的工作状态，检查模块的接收组件是否能够容忍快速的偏振态变化

d.路径滤波器效应测试

全光网络中，长途传输业务要经过多级ROADM节点，ROADM分插/复用滤波器对传输信号的光谱多有改变，通过MAP300的可调谐滤波器模块仿真路径滤波效应，可验证相干模块的接收性能是否受到滤波效应的影响。

e.ONT测试仪的相干参数管理界

对于识别到的相干模块，ONT测试仪可以进行相干参数的配置和管理。

3.模块管理接口测试

相干光模块由于功能丰富，管理配置起来也非常复杂，不同类型的模块目标应用不同，所遵循的标准也应不同。由于产品的研发刚刚开始，还在摸索阶段，目前除OIF今年通过的针对400G-ZR的C-CMIS标准外，其它标准还都在研究中，因此需要一个对各个厂家自行开发的管理接口进行验证是否能够达到设计要求。

以上介绍了相干模块测试的项目和方法，希望能够帮助正在进行相干模块研发的人们尽快完成测试验证工作，早日将产品推向市场。