相干光模塊的測試指南

  從上世紀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。標準化、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)務接入的必然選擇。

  而對于城域大容量數(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)的做法是各個設備廠家自行開發(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)務的發(fā)展、云基礎設施的建設以及AI人工智能運算方面的需求，除長途傳輸業(yè)務外，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、灰盒設備應運而生。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，用于長距離傳輸?shù)?、標準化的可插拔模塊得到越來越多的關注和應用，多個傳統(tǒng)光模塊廠商甚至已經(jīng)放棄客戶側(cè)模塊業(yè)務，全力研發(fā)線路側(cè)傳輸應用。當前采用相干檢測的線路側(cè)光模塊研發(fā)熱點是QSFPDD-ZR, OpenZR+, CFP2-DCO(以下統(tǒng)稱相干光模塊)，分別對應不同的應用場景，支持的業(yè)務類型和采用的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備單盤上實現(xiàn)的復雜功能放在一個標準的模塊封裝里，這對模塊內(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嚴峻的挑戰(zhàn)。

  從功能構成框圖來看，相干光模塊遠比客戶側(cè)光模塊復雜，典型的構成包括集成發(fā)射組件ITLA，集成相干接收組件ICR和DSP數(shù)字信號處理部分。從模塊研發(fā)制造的角度看，由于其復雜程度，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商的零部件進行組裝。

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，由于相干光模塊的高集成度和復雜性，我們必須把光模塊當作一個系統(tǒng)進行整體的性能測試，就像一直以來把線路側(cè)單盤進行系統(tǒng)級測試一樣，而不能單獨當作部件進行分立測試。我們可以把整體測試分為下面幾個部分，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準的通信設備和系統(tǒng)中。

  1、承載業(yè)務的測試

  承載業(yè)務的目的是檢查光模塊是否能夠達到設計目標，承載指定的客戶業(yè)務，比如100GE/200GE/400GE以太網(wǎng)業(yè)務，OTN業(yè)務。由于高速業(yè)務中通過FEC編解碼進行糾錯必不可少，對FEC的糾錯性能也需要進行評估。傳統(tǒng)意義上的誤碼儀基本上不能完成這個工作，原因有多個方面，概況起來主要有三點：

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

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

  c. 不支持真正的承載業(yè)務，對于400GE/OTN承載業(yè)務，用戶最終關心的是基于以太網(wǎng)/OTN的性能結果。

  許多業(yè)務測試的儀表同時具備通道誤碼儀的功能，支持在模塊電接口進行預加重和均衡處理。應用業(yè)務測試儀表對光模塊進行測試的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

  d. 同時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. 對光模塊的實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，各種錯誤仿真等

  f. 支持對光模塊進行管理接口進行配置管理和協(xié)議一致性測試

  g. 光模塊DSP內(nèi)部相干參數(shù)的管理

  h. 仿真光模塊的實際應用場景，進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練、檢驗光模塊在仿真的實際工作條件下的響應和應當達到的性能。

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

  對相干光模塊光層進行測試就是訓練和驗證這些功能。

  a. OSNR測試

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

  b. CD/PMD訓練測試

  參考業(yè)務信號經(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)務信號經(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. 路徑濾波器效應測試

  全光網(wǎng)絡中，長途傳輸業(yè)務要經(jīng)過多級ROADM節(jié)點，ROADM分插/復用濾波器對傳輸信號的光譜多有改變，通過MAP300的可調(diào)諧濾波器模塊仿真路徑濾波效應，可驗證相干模塊的接收性能是否受到濾波效應的影響。

  e. ONT測試儀的相干參數(shù)管理界

  對于識別到的相干模塊，ONT測試儀可以進行相干參數(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雜，不同類型的模塊目標應用不同，所遵循的標準也應不同。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400G-ZR的C-CMIS標準外，其它標準還都在研究中，因此需要一個對各個廠家自行開發(fā)的管理接口進行驗證是否能夠達到設計要求。

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

  相關產(chǎn)品：

  1. VIAVI公司的ONT-800

  支持100G/200G/400G以太網(wǎng)業(yè)務及FlexE，F(xiàn)lexO業(yè)務，支持QSFP28/QSFP56/QSFP-DD/CFP2插槽及相應客戶側(cè)模塊的測試，同時支持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，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，光耦合器/分光器，CDWM分波合波器

  2.4 光功率計，光譜分析儀/波長計，插回損儀

  可組成各類測試系統(tǒng)如：多芯插回損儀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