SFP光模块研发与测试方法

SFP光模块研发与测试方法2021/6/271光接口的测试项目发送器眼图模板TransmittedEyeMask平均光功率AverageOpticalPowerOFF发送器的平均发送光功率（OFFAveragePower）光调制幅度OpticalModulationAmplitude消光比测试ExtinctionRatio：中心波长CenterWavelength：RMS频谱宽度RMSSpectralWidth：边模抑制比SideModeSuppressionRatio相对强度噪声RelativeIntensityNoiseOMA发送器色散与代价TransmissionDispersionandPenalty受压的接收器灵敏度StressedReceiverSensitivityinOMA(Max)数据相关抖动DataDependentJitter受压的眼图抖动StressedEyeJitter垂直眼图关闭代价VerticalEyeClosurePenalty误码率BitErrorRate2021/6/272常见的光通信中的编码方式NRZ/RZ(SONET/SDH,FiberChannel

GigabitEthernet,FDDI)AMI(E1/2/3,DS0/1/1A/1C/2/3,STS-1)CMI(E4,DS4,STM-1E,STS-3)2021/6/273NRZ编码NRZcoding:1用发光表示，0用熄灭表示。这种编码通常只用于低于10Gbps速率光连接信号。目前也有逐渐被替代的趋势.2021/6/274NRZI编码为了确保在数据传输时有足够的跳变便于接收端稳定的工作,大多数采用光纤传输的数字通讯系统采用Non-ReturntoZeroInverted(NRZI)coding.在NRZIcoding,0表示成线路上的信号状态跳变,1表示成状态不变.这种算法可以确保数据上有0串时不会出问题.2021/6/275在RZ编码里,

信号在每个单位时间里都会回到0状态即熄灭无光状态.1也只是有一半的时间处于激光开状态.光通信基础知识介绍-RZ编码2021/6/276NRZ和RZ两种编码的眼图比较NRZ编码眼图，高功率电平为逻辑1，低功率电平为逻辑0，在两高低两阶跳变。RZ编码眼图，底部有一根线为逻辑0，逻辑1显示为脉冲。2021/6/277NRZ和RZ两种编码的比较NRZ编码长期在光纤传输中占据统治地位，但是这种局面已经开始显示终结。NRZ编码更适合在传统的Coppermedia中传输。目前主要通常在10Gbps及以下的速率长距系统中应用。RZ比较NRZ码而言，相同速率下具有较宽的频谱范围，更低的失真、更低的功耗、能更好地抑制非线性的影响。适合在大功率条件下工作，缺点是展宽了信号的频谱，限制了信道的间隔。但对现代光纤传输系统而言带宽已经不再是限制条件，因此在高带宽传输系统中普遍采用RZ码.

目前在10Gbps以上系统中已经开始采用RZ码。2021/6/278性能参数光通信比较关注的性能参数

OMA(OpticModulationAmplitude) ER(ExtinctionRatio)Q因子(Quality)OSNR(OpticSignaltoNoiseRatio)EyeOpening/EyeOpeningPenaltyBitErrorRateReciverSensitivity2021/6/279光通信中的性能参数：OMA与ER逻辑1和逻辑0:

光功率高的状态是逻辑1，反之则为逻辑0.

光功率常用:dBm=10log(Power(mW)/1(mW))OMA:OpticalModulationAmplitude

逻辑1和逻辑0光功率差:OMA=P1-P0

有时也定义成:ER:ExtinctionRatio,消光比2021/6/2710消光比与OMA

对线性衰减（严格的说是对dB值呈线性衰减）的传输系统,ER为常数.但是OMA是在减小的.这也就是随着信号从发送端到接收端眼图变窄的现象.OMA越高,信号在光纤中就能传输的更远.ER越高,传输系统对外部噪声的抗敏感度越高,鲁棒性越好.2021/6/2711光通信中的性能参数：Q因子另外一个重要术语就是Q因子。理论上系统的误码率BER是完全由光信号的信噪(Signal-to-NoiseRatio)比决定的，也就是Q因子。一般主要在光纤放大器和接收端进行测量。(σ为噪声的RMS值)2021/6/2712关于光信号眼图测试模板光眼图模板一般由3个区域组成，从上至下依次为1#、2#、3#区域模板的宽度为一个UI通常1#、3#区域为长方形，2#区域为六边形或四边形右图模板上所有的数值均为百分比而非绝对的时间与光功率，因此我们通常称之为“归一化模板”通常，光眼图模板的时间值是固定的，因为我们知道速率是多少，但是光功率是百分比值2021/6/2713采样示波器如何去自动套用归一化模板？第一步：检测出输入信号的平均光功率（AOP）第二步：将归一化眼图中的50％的百分比光功率值与AOP对应起来，至此眼图模板上的纵轴百分比数值全部可变换为绝对值。由于数据率我们事先知道，因此横轴就很容易转换为绝对值。第三步：调整波形在横轴的位置，将眼图调整在模板（示波器屏幕）的正中央2021/6/2714眼图测试的方式：RT与ET实时方式 单次触发，完成数据采集。软件方法进行波形切割与叠加 无需专门的触发信号，可以直接使用被测信号进行触发 样点之间的间隔受示波器实时采样率的限制，目前最小可达25ps等效采样方式 多次触发，完成数据采集。硬件方式进行波形切割与叠加 需要专门的触发信号 样点之间的间隔受示波器等效采样率限制，目前最小在1ps以下2021/6/2715ET-RTBasics:

RTarchitecture-triggerondataandsampleinreal-timeArealtimescopedoesnotrequireaseparatesignaltotrigger:thesignalundertestcanactasthetriggerforinitiatingfastreal-timesamplingtoacquireawaveform.DatatriggertimevoltageMinimumtimebetweenreal-timesampledpointsisdeterminedbythefastestsampleratetherealtimescopeiscapableof.40GSamples/secresultsin25psbetweensampledpoints.**Onetriggercaninitiatethereal-timesamplingoftheentirerecordlength**Maximumresolutionishigherthroughinterpolation2021/6/2716ET-RTBasics:

ET-one-sample-per-trigger,repetitivepatternrequiredforpulsestreamsAnequivalent-time8000seriessamplingoscilloscoperequiresatriggersignal:thisisgenerallyauser-suppliedclock,arecoveredclock,orapatternsyncsignalsynchronoustothesignal.DatatriggervoltagetimePatternSyncAtriggerisrequiredforEACHsampledpointinthehighbandwidthequivalent-time8000scopeMinimumtimebetweenequivalent-timesampledpointsonhighbandwidth8000scopecanbeadjustedtofractionsofapicosecondPrecisionvariabledelay2021/6/2717ET-RTBasics:

ET–one-sample-per-trigger,nonrepetitivepatternokformasktestWhenaclocksignalisusedtotriggertheequivalent-time8200scopethesampledDATAsignalsgenerallycreateEYEPATTERNS(betweenclocktriggersthesampledDATAcouldbeeitheralogical1or0)DatatriggervoltagetimePrecisionvariabledelayAclocktriggercanbeuser-suppliedorrecoveredfromthedatatotriggertheequivalenttimesamplerClockEyepatternsarethecommonresultofclock-triggeringinEquivalenttimesampling:vectorsarenotdrawnsinceadjacentsamplescanjumpfromlogical1to0frequentlyMasktest2021/6/2718ET眼图测试：没有外触发信号时时钟恢复单元：CRU

当需要测试一个系统信号眼图时，无法获得触发时钟 需要一个时钟恢复单元，从被测信号中恢复出时钟用于触发 事实上，一个真实的接收机内部就有一个时钟恢复单元CRU的要求 内置Golden-PLL，跟随信号的变化并解出时钟 内置针对于信号抖动的低通滤波器，滤除高频抖动的影响 内置抖动滤波器的带宽为被测数据率的1/1667

内置抖动滤波器的滚降特性满足-20dB/Dec2021/6/2719eSerial:

Clockless

SignalincludesbothdataandclockpathTx+-+-+-+-RcvDifferentialserialdataissentwithoutanyclocksignalacrosstheinterconnecttothereceiverCDRDATADATACLOCKAclockis“recovered”fromtheincomingdataatthereceiverthroughaclockanddatarecoverycircuit(CDR).2021/6/2720关于4阶B-T滤波器直接调制的光模块通常有较大的过冲和振铃 高带宽的测试系统能看到此过冲与振铃 低带宽的测试系统会掩盖此过冲与振铃业界的一致性测试要求有统一的测试系统带宽 目前采用标准参考接收机，即O/E与电信号示波器组成的系统 该系统满足协会规定的频响特性 绝大多数情况下系测试统频响应遵循4阶B-T滤波器的曲线 带宽为被测试信号速率的0.75倍低带宽的测试系统获得的结果有意义吗？ 往往会出现高带宽测试的结果Fail而低带宽测试结果Pass

参考接收机是按照现实中的光接收机所设计的2021/6/2721波长问题目前，按照光信号在光纤中的传播方式有单模与多模之分；其波长也不一样。主流的波长有780、850、1310、1550nm单模：9um光纤直径，波长多为1310、1550nm多模：62.5um光纤直径，波长多为780、850nm不同的模块有不同的波长！2021/6/2722灵敏度问题在所有的标准中，都有对发送器发送光功率的最小要求 同时，要求接收机能够在此条件下正常工作。既接收机的灵敏度不低于发送器的最小发送光功率测试仪器也是一样的 例如，10GBase-EW接口，要求接收机最低能接收-13dBm的光功率。换言之，测试仪器的灵敏度必须优于-13dBm且测试仪器的本底噪声很小，否则测得的信号将湮没在噪声中2021/6/2723小结特定的速率需要特定的测试系统带宽 需要带宽为速率0.75倍的4阶B-T滤波器的支持特定的速率需要特定的眼图模板 需要标准的眼图模板不同的光模块有不同的波长要求 希望一台测试设备同时满足单模、多模的测试需求测试设备需要更高的灵敏度、更低的噪声 在低功率的光接口测试中，会得到更准确、更漂亮的眼图2021/6/2724研发与生产测试2021/6/2725我们最关注什么？测试结果准

ER、OMA、Q因子的测试结果准确测试速度快 客户往往希望厂商提供眼图，构成眼图的波形数是眼图测试可靠度的衡量参数。如果波形处理速度慢，在使用相同的波形数构建眼图的时候会消耗更多的时间。反言之，波形处理速度慢，在相同的测试时间内构建眼图的波形数就更少，测试结果更不可靠。稳定

ER、OMA、Q因子的测试结果应当具有良好的重复性2021/6/2726不！还有接收端电眼图，还有TDR测试接收端测试 光模块不仅仅是E/O，还有O/E呢！ 因此，还有测光接收端的O/E输出电眼图差分TDR测试：Debug的重要手段

10G光模块的输入/输出电信号速率实在是太高了！ 必须考虑连接器、内部PCB的阻抗连续性显得非常重要！串行光/电信号的抖动测试：Debug的重要手段 支持对高达10Gbps的信号进行皮秒级的抖动测量与分析注意！上述的电信号测试都是差分的！！！2021/6/2727eSerial:

DifferentialTDRisusedondifferentialinterconnects.+-+-RcvTimeVoltageSamplingScopedisplayoftwoTDRwaveformsTwoTDRsamplingchannelsallowthedifferentialimpedancebetweentheDATA+andDATA-eSerialpathstobemeasured.TDR(80E04)+-+-2021/6/2728eSerial:

TDRiscommonlyusedindesignandmanufacturingtestofeSerialInterconnectsTimeVoltageSamplingScopedisplayofTDRwaveformsTDRcantestpassiveeSerialInterconnecttocharacterizewherepoorqualitywillexistwhenGbitDATAissentthroughit.MasktestTDRisakeytooltofindwherebadinterconnectsectionsmaycausepoorDATAquality.2021/6/2729泰克公司解决方案2021/6/2730示波器低速率光信号测试（<2.5Gbps） 实时示波器：CSA7404B

采样示波器：CSA8200+80C07B高速率光信号测试(>2.5Gbps)

采样示波器：CSA8200 <4.25Gbps：80C12+80A05 10Gbps：80C08C、80C11或80C12-10G+80A05 40Gbps：80C102021/6/2731CSA7404B采样率:RT20GSa/s,ET1000GSa/s带宽：电4GHz，光2.4GHz光接收范围：700～1650

nm，其中780、850、1310、1550nm经过严格校准光接收灵敏度：

-17dBm(1310、1550nm) -14dBm(780、850nm)支持标准：2.5Gbps以下通信标准2021/6/2732CSA8200主机：CSA8200 通道数量：8Ch插槽数量：6采样率：200kS

顺序采样波形处理：每个通道均有独立DSP进行处理2021/6/2733光测试模块光接收模块：80C07B波长范围：700～1650nm（780，850，1310，1550nm经过严格校准）光接收灵敏度：-22dBmRMS噪声(最大)：-28dBm滤波器：155Mbps～2.5Gbps时钟恢复：内置应用：<2.5Gbps低速接口光接收模块：80C08C波长范围：700～1650nm（780，850，1310，1550nm经过严格校准）光接收灵敏度：-15dBmRMS噪声(最大)：-25dBm滤波器：9.953Gbps～11.1Gbps时钟恢复：内置应用：10Gbps接口2021/6/2734光测试模块光接收模块：80C12/80C12-10G波长范围：700～1650nm（780，850，1310，1550nm经过严格校准）光接收灵敏度：-15dBm/-12dBmRMS噪声(最大)：-25dBm/-22dBm滤波器：155Mbps～4.25Gbps/9.953Gbps～11.1Gbps时钟恢复：外置，与80A05匹配应用：<4.5Gbps接口或10Gbps接口时钟恢复模块：80A05 输入形式：差分/单端（SMA50欧姆）支持时钟恢复标准速率：155,622,1063,1250,2125,2488,2500,3.125G,3.188G,3.32G,4.25G withOPT10G：9.953G,10.31G,10.51G,10.66G,10.71G,11.10G用户自定义时钟恢复速率：50Mbps～2.7Gbps(连续)，3.0Gbps～3.188Gbps（连续）光插入损耗：无2021/6/2735采样示波器的电眼图测试2021/6/2736使用TektronixCSA8200需要那些配置？配置电采样模块（足够的带宽）带宽至少为DUT数据率的1.5倍(3次谐波)，如果在DUT数据率的2.5倍以上（5次谐波）则更佳时钟恢复单元/模块(CRU)可以恢复DUT数据率相对应的时钟，且该CRU具有带宽为DUT数据率1/1667的低通滤波器2021/6/2737电眼图测试FAQ什么时候需要CRU？测试一个系统的串行接口指标时（如Xenpak的电输出信号）没有外部触发信号提供时电CRU需要具备带宽为速率/1667的滤波器吗？需要，因为同样需要模拟一个真实的电接收机电眼图测试模块需要类似于光眼图测试的4阶B-T滤波器吗？不需要2021/6/2738采样示波器的TDR测试2021/6/2739使用TektronixTDS/CSA8200需要那些配置？配置TDR电采样模块（80E04）带宽20GHz，上升沿17.5ps，双通道静电保护模块(80A02)单通道TDR探头（P8018）带宽20GHz，上升沿17.5ps2021/6/274080E04：真正的差分TDR测试10G光模块的输入/输出高速电信号均为差分信号差分PCB走线一定要进行真正的差分TDR测量 何谓真正的差分TDR测量？ 高速的TDR正负脉冲同时从测试模块发出 另一家公司的TDR正负脉冲不是同时从测试模块发出，虽然能做到视觉上的对齐，但是经不起示波器的观测，谓之伪差分TDR

伪差分TDR其实相当于单独