帶你探索400G光模組測試

隨着移動互聯網、雲計算、大數據等技術快速發展，數據中心及雲計算資源需求的爆髮式地增長，核心網傳輸帶寬需求大幅度的提升，同時也帶動了超大規模雲數據中心的發展，對數據中心內部和之間的互聯的光模組帶寬需求呈快速增長，促使數據中心從100G向更高速率、更大帶寬、更低延時發展，400G以太網成為數據中心的必然發展趨勢，400G已經應用在超大型數據中心光通信模塊中。

全球網絡流量的飛速攀升，用戶需要快的速率寬來滿足應用需求，這促進了400G以太網在大型數據中心的廣泛應用。400G光模組作為未來數據中心內部光網絡互聯的關鍵硬件設備，面臨速率、功耗、體積、成本等多方面的挑戰。本文將重點介紹400G光模組測試時所面臨的挑戰以及400G光模組主要的測試項目，讓您學會辨別400G光模組的好壞。

400G光模組

400G光模組主要用於光電轉換，電信號在發送端轉換為光信號，然後通過光纖傳輸，在接收端，把光信號轉換成電信號。400G光模組的傳輸速率為400Gbps，400G光模組在構建400G網絡系統中起着至關重要的作用。

未來幾年內，市場上將會出現大量的400G光模組產品來滿足不同的網絡需求，如400G QSFP-DD光模組等。但如何判斷400G產品是否合格是一件非常不容易的事，尤其是關鍵的互聯組件光模組。

400G光模組有400G-SR16、400G-FR8、400G-LR8、400G-DR4，400G-FR4，400G-LR4等400G-QSFP-DD產品系列，目前已經開始在數據中心及5G網絡中批量使用。

PAM4 VS NRZ

對於400G光模組，OSFP/QSFP-DD與主機接口電信號為 8x50G/PAM4，均採用PAM4調製方式。

400G與傳統的NRZ信號測試不同，400G PAM4光模組發射端的測試增加了SSPRQ碼型下TDECQ的測試，接收端需要測量分析FEC打開前後的誤碼情況。

PAM4技術已被廣泛應用於高速信號互連，數據中心的基於PAM4調製技術的400G光收發模塊，5G網絡的基於PAM4調製技術的50G光收發模塊等領域，未來的PCIE6.0也將採用PAM4調製技術。

400G光模組測試的挑戰

雖然更大帶寬和PAM4調製技術的利用確實對吞吐量有極大地提升，但卻也給400G帶來了一些問題，如物理結構變得更複雜，信號傳輸很容易出現錯誤等。

1、400G接口具備更高速率的傳輸通道，這意味着信號在傳輸過程中會產生更多的噪音（信噪比），而較高的信噪比會導致誤碼率（BER）變大，從而影響信號傳輸質量。

2、在物理接口結構上，400G光模組接口包含了電輸入接口、電輸出接口、光輸入接口、光輸出接口以及其它的電源和低速管理接口，相對於100G光模組接口來說，400G接口多元化且更為複雜，但400G光模組尺寸卻與現有的100G光模組尺寸相似，這導致400G接口需要更複雜的製造生產工藝和相應的性能測試技術，來保證這些光模組的質量。

3、複雜的400G測試項目也給光模組供應商帶來了新的挑戰。為了確保用戶所收到的光模組質量良好，供應商必須採用更加專業的光模組檢測設備，且需要具備較高的檢測水平以及研發技術。與此同時，確保400G能與現有的網絡基礎設備連接升級以及400G的研發/製造/測試成本等也是供應商需要解決的問題。

關鍵測試項目

400G光模組採用了PAM4調製，從NRZ到PAM4信號的轉變，絕不是簡單的量變，而是一個質的變化。因為PAM4信號格式的特點，帶來了測試參數和測試方法的巨大變革，以前NRZ時代常用的模板餘量測試，在PAM4時代還適用嗎？不適用的話又如何測PAM4來判斷400G光模組性能呢？在所有目前的公開標準規範中，Mask Margin模板餘量已經不再適合PAM4的測試，需要用新的參數來表徵400G光模組發射機的性能，這個新的參數就是TDECQ。下圖中s是400G光模組驗證中的幾個重要測試項目：TDECQ、OMAouter、消光比、線性度RLM、電平、電平偏差、電平厚度、有效符號電平、眼圖寬度、眼圖高度、過渡時間、過沖、下沖。此次主要講解TDECQ的測試。

TDECQ

TDECQ:Transmitter and Dispersion Eye Closure penalty Quaternary (發射機色散眼圖閉合代價)，是衡量PAM4光信號質量的非常重要的一個參數。下面的圖是 IEEE802.3 標準組織對於 TDECQ 的測試框圖 ：

TDECQ的計算方式

TDECQ的測試要求

TDECQ的兩個測試前提 ：測試碼型和測試接收機。

IEEE802.3bs 對於 PAM4 信號的測試碼型要求如下：

其中：

PRBS13Q： 是由兩段 PRBS13 碼型進行格雷編碼（0-00，1-01， 2-11，3-10）後得到的長度為 8191 的四電平碼型，可用來進行發射機的 ER/OMA 的測試 ；PRBS31Q： 同樣是由兩段 PRBS31 碼型進行格雷編碼（0-00，1-01，2-11，3-10）後得到的長度為 2^31-1 的四電平碼型，注意該碼型只用來進行 PAM4 系統靈敏度的測試；

SSPRQ（Short Stress Pattern Random Quaternary） ：完全是人為構造的新的碼型，是從傳統的PRBS31碼型裡面選取 4 段對於發射機壓力比較大的碼型進行拼接編碼而成，長度是 2^16-1. 其好處是既可以對被測發射機施加足夠的壓力從而更加接近測試其在真實業務下的性能，又具有短碼型的特徵，從而使得採樣示波器可以捕獲整個碼型進行均衡等信號處理了。SSPRQ 是進行 TDECQ 測試的碼型。

對於 PAM4 光信號的測試（包括 TDECQ 等參數），IEEE802.3bs 規範要求測試儀錶的參考接收機必須滿足兩個要求 ：

a. 理想的四階貝塞爾 - 湯姆遜低通濾波頻響 ；

b. 該低通濾波頻響的 3dB 帶寬是被測信號符號率的一半（13.28GHz for 26.56GBaud, 26.56GHz for 53.125GBaud）。

注意 ：對於多模 26.56GBaud PAM4 光 信號測 試，帶寬變為 11.2GHz。測試碼型和測試接收機確定了以後，我們繼續來看 TDECQ 的測試。TDECQ 的測試裡面，對於CDR的要求是環路帶寬4MHz,slope 20dB/dec, 1st order, no peaking。

和NRZ不同的是，由於PAM4信號本身的複雜性，需要在信號接收端使用均衡器來張開眼圖，所以，TDECQ 的測試儀錶中需要均衡器 (reference equalizer)，標準已經規定了均衡器是 5 tap/T spaced 的 FFE 均衡器，但均衡器的具體系數則是軟件算法根據輸入的信號來確定。

在嚴格標準規範測試中，是需要根據 TDECQ 的測試框圖搭建光鏈路進行的，但在實際的 PAM4 生產測試中搭建如此複雜的光鏈路顯然是不切實際的，所以很多情況下人們省略了光纖鏈路而直接測試光發射機輸出信號的 TDECQ。

下圖是一張 TDECQ 的測試方案框圖：Keysight（N1092 +N1077/8A 系列）

如何驗證400G光模組發射機性能

通常是利用光採樣示波器和CDR時鐘恢復儀來驗證400G光發射機性能，通常的測試方法是：被測光模組的光信號經過分光器，分光器將信號進行20%/80%（50%/50%也可以）的光分，20%信號能量會輸入到CDR時鐘恢復儀進行時鐘恢復，剩餘80%信號能量連接到示波器的通道，示波器對進入光信號進行採集和相關參數的測試和分析，下圖是測試方案框圖。

飛速（FS）-400G光模組測試場景

飛速（FS）-測試項目

PS：測試標準參考IEEE 802.3bs、IEEE 802.3cd、MSA等標準協議

400G光模組測試結果

由於PAM4信號本身的複雜性，需要在信號接收端使用均衡器來張開眼圖，下圖是400G-LR4光模組，符號速率為53.125GBaud的測試結果，上邊是均衡前的PAM4眼圖，下邊是均衡後的PAM4眼圖， TDECQ的值為1.68dB，這個400G-LR4光模組的性能很好，該光模組TDECQ指標要求為：≤ 3.9 dB。

飛速（FS）-400G光模組產品清單

總結

400G以太網成為數據中心的必然發展趨勢，400G光模組採用了PAM4調製技術，PAM4信號格式帶來了測試參數和測試方法的巨大變革，模板餘量已經不再適合PAM4的測試，需要用TDECQ來表徵400G光模組發射機的性能，利用光採樣示波器和CDR時鐘恢復儀來完成400G光模組發射機的性能測試，提高400G光模組測試效率，助力400G光模組生產。