小龙说光模块自动化测试（收藏版）

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小龙说光模块自动化测试（收藏版）

本文转载自深圳市伽蓝特科技有限公司公众号

作者林小龙

（一）

本节将跟大家探讨自动化测试系统在生产中的重要作用。首先讨论下为什么开展这个话题，自动化测试能从哪些方面提高生产产能及效率？

先对自动化测试系统做一个简单介绍：自动化测试系统是指在尽量少的人工干预下，多种仪器仪表设备通过通讯总线方式（GPIB,USB,RS232等）与计算机自动进行产品编号管理、数据测量、数据分析、数据判别以及数据存储等，它集成了仪器技术、总线技术、计算机甚至数据库应用方面等技术。

相对于手工作业方式，自动化测试省时、省力、能提高劳动生产率和产品品质。计算机技术与仪器技术日新月异的发展使得自动化测试系统在测试测量行业成为趋势和潮流。在光模块行业制造环节中，产品的测试需要大量昂贵的仪器设备及有相当经验的人员来做支撑，各大生产商出于人工成本高和产品品质要求高等因素，产品的测试多依靠自动化测试系统完成。相对于手动测试，自动化测试在以下几方面具有明显优势：

人力成本

手动测试中，各种仪器之间是孤立存在实现单一的功能，一个操作员在同一时间内只能操作或观察一道工序的一台仪器设备进行产品测试，完成所有测试就必然要投入大量的人力。自动化测试系统将产品测试需求和仪器资源进行整合、优化，整合测试工序，从而可以大大减少人力资源的投入及对员工熟练度的依赖。

测试效率

优化、整合工序就是提升效率的根源。测试系统是自动化运行，释放了操作仪器、数据记录等人工操作环节，使得一人操作多个机台成为现实。

产品一致性

产品型号的多样性造成了不同的调试、测试规格，在实际操作过程中，人为失误往往难以避免造成不可预料的风险，就算是同一型号的产品，由于操作人员们不同的操作方法，产品调试、测试的结果也可能大相径庭，产品性能的一致性得不到体现。自动化测试系统通过调用统一的配置文件，自动判定测试结果及保存测试数据，提高了工序的防呆效果和产品的一致性。

数据追溯及分析

手动测试中，需要人工记录测试数据，在此期间仪器设备处于闲置状态，耗时且容易出错，如果要达到可追溯性要求，大量数据的整理和归档都是件繁杂的工作，更不要说数据的分析了。自动化测试系统则可以自动保存测试数据，可轻松实现产品的可追溯性要求，也为通过数据分析产品做出科学性决策提供了简易途径。

（二）

上一节跟大家讨论光模块的自动化测试系统在生产中的重要性，得到了众多朋友及同行同仁的积极反馈与支持，非常感谢！同时有很多朋友都问到一个问题：小龙是谁？不好意思唐突了，在这里先补充做个自我介绍：小龙来自深圳市伽蓝特科技有限公司，负责公司的研发及生产管理工作，闲暇之余喜欢跟大家做交流讨论。先介绍下我们公司：深圳市伽蓝特是一家从事各类光模块测试仪器仪表、光模块自动化生产系统设备、激光光源、光放大器等研发生产的国家高新技术企业，总部位于深圳，在苏州、北京、武汉设有销售分支机构。

光模块的组成

光模块由光电子器件、功能电路等组成，其中光电子器件包括发射和接收两部分。发射端Tx将待传输的电信号转换为对应的光信号发送到光纤链路中；光模块的接收端Rx把接收到的光信号转换为电信号输出传送给数据终端。在光模块的整个测试过程中，围绕模块的发射端信号质量和接收端灵敏度进行测试。以100G CFP光模块为例，基本组成框图如下：

(100G CFP光模块结构框图)

光学指标

CFP2 100GBASE-LR4 100G OTU以太网标准参考:

接收端测试指标名词解释：

● Equivalent sensitivity：接收端等效灵敏度，代表了PD的接收能力。表示能正确接收，识别信号的最小输入光功率。一般来说，速率越高灵敏度越差，即最小接收到的光功率就需要越大，对光模块接收端要求就越高。定义在特定误码率（eg:BER=10-12）条件下接收端检测到的光功率值；

● LOS 表征信号丢失 LOSS of signal 当接收光信号功率在给定的时间内（10us或更长）一直低于某一设定的门限值Pd（Pd对应的BER≥10-3），则光模块进入LOS状态。

● Los Assert：信号丢失指示，模块接收端反映光信号强度的电信号电位与预设电位比较，判别信号丢失的指值，通常用预设电信号对应的光功率作为指示；

● Los De-Assert：信号丢失恢复指示，由于电位比较是采用具有一定回滞效应的比较器实现，一般LOS Dessert对应的光功率值比Los Assert对应的值要大；

● Los Hysteresis：信号丢失滞后，比较器为回滞比较器，反应到功率值上表征信号丢失及丢失恢复的功率差值。

(接收端灵敏度示意图)

发射端眼图测试

眼图是一系列数字光信号在示波器上叠加而形成的一种波形图，它涵盖了光模块发射端性能的大部分信息。从眼图上可以观察出光模块发射端信号受码间串扰和噪声的影响，体现了光模块光信号的特征，从而判断光信号的优劣。在理想情况下波形无失真每个码元将重叠在一起，最终看到的是一个边际线清晰的图形。当信号码间串扰大，波形失真，码元不能完全重合，边际线就会增大，加上噪声的影响，眼图会变得模糊。

(QSFP28-LR4光眼图)

发射端眼图测试参数名词解释：

● Bit Rate：光模块调制光信号的速率，从眼图上表示为一个bit周期的倒数。

(眼图速率示图)

● Eye Ampl：眼眶信号幅度，眼图的逻辑1电平和逻辑0电平直方图平均值之间的差。

(眼图信号幅值示意)

● Jitter 抖动是眼图的上升和下降边缘的时间方差的度量，信号抖动的边缘影响眼图的交叉点。而在交叉点位置，抖动的宽度不受上升和下降时间的影响，故在交叉点进行抖动测量最为精确。一般用峰峰值抖动和均方抖动进行度量。

● Jitter_p-p：峰峰值抖动，在眼图上为直方图在眼睛交叉点的全宽。

● Jitter_RMS：均方根抖动，定义为交叉点直方图的±1σ（标准偏差）。

( 眼图抖动示意图)

● OMA：（Optical Modulation Amplitude）光调制幅度，为交叉点垂直位置的所测量到的1功率值和0功率值的差值。

(光信号调制幅度)

以上对光模块发射端及接收端各项测试参数名词做了比较详细的介绍。在实际生产测试中，低速的光模块测试设备已普遍比较成熟，而高速的100G光模块的研发过程还依赖于进口产品，生产测试还很少有公司能够提供高性价比的整套国产测试方案及设备，伽蓝特公司已与国内大型100G光模块厂商达成成功合作案例，可以提供整套的测试平台，保证优异性能的同时降低了生产测试成本。下一章节将为大家带来“高速光模块的经典测试方法”。

（三）

光模块形式多种多样，但都由发射端和接收端组成。在上篇中主要介绍模块需要测试哪些指标，接下来小龙将以100G高速光模块测试为例，向大家介绍一下现今模块厂商采用的经典测试办法。当然，对于不同的测试方法，系统搭建成本也有着很大差异。

光模块测试

光模块厂商大部分是基于虚拟仪器技术来设计光模块的自动化测试系统。测试系统集成了国内外先进的测试仪器设备（光示波器、误码仪、光功率计、光衰减仪等），通过GPIB总线或其他VISA（VirtualInstrument Software）支持的总线连接到PC端，PC端基于虚拟仪器的上位机软件系统控制，实现对各个测量仪器的实时控制，完成模块自动化测试流程。测试系统方案一般将模块的发射端和接收端分开调试和测量，经过初步测试老化后，统一进行最终的检测。下面以深圳市伽蓝特科技有限公司的100G高速光模块测试系统做简单阐述。

100G光模块发射端测试

（100G QSFP28 光模块发射端测试框图）

光模块发射端性能指标基本上可以用发射端的光眼图信息来表征。如图所示，待测光模块结合测试板将误码仪提供的高速电信号转换成光信号，通过光纤跳线接入光示波器中，同时误码仪的Trigger端将同步时钟信号接入示波器，实现信号同步，在光示波器上形成眼图。光示波器需选择与待测光模块相对应的滤波器速率和中心波长，选择合适的眼图模板对形成的眼图进行匹配，测试系统通过GBIP总线将生成的眼图信息（发射光功率、消光比、眼图上升下降时间和眼图交叉点等）发送至上位机。测试过程中需根据模块指标的目标要求设置合适的光功率和消光比，同时完成对模块数字诊断的发射光功率值与实际值进行校准，调整偏置电流（Ibias）使光功率在合格范围内，上位机将调试好的数据值通过测试板写入模块的EEPROM中。

100G光模块接收端测试

（100G QSFP28 光模块接收端测试框图）

光模块接收端主要进行灵敏度测试。一般选用一个标准的光模块作为标准光发射源，基于误码仪产生的高速电信号经测试板驱动光模块发射端产生标准信号源。灵敏度测试需要可编程的光衰减仪进行信号的功率衰减，使光模块接收端接收到不同功率的信号，最终通过误码仪比对不同光功率下的误码率来完成灵敏度测试。测试过程中，先设置告警值，并对模块的接收光功率DMM值进行校准，通过调整可编程光衰减仪，检测模块在特定误码率（eg：BRT=10-12）接收端的光功率值，即灵敏度指标。在实际测试过程中，一般通过调整光衰减仪获取若干光功率条件下的误码率，然后采用曲线拟合等方法估算模块灵敏度。通过比对设置的告警阈值，测量模块的信号丢失指示（Los Assert）、信号丢失恢复指示（Los Dessert）等指标是否达标。

100G光模块终测试

（100G QSFP28 光模块整体测试框图）

光模块厂商一般将发射和接收端分别测试完的光模块进行老化后再次进行模块参数的检测，以确定光模块因老化而引起功能参数的变化。对模块的测试在如上图的测试方案中，能同时完成灵敏度和眼图光学指标的测量，在实际测试中可能需要两台误码仪来分别驱动两块测试板，要想只用一台误码仪的两路差分输出分别驱动两块测试板，需要选择高质量码型发生器（PPG）。

其他测试方案

模块厂商可根据不同光模块以及实际的设备情况构建不同的测试系统，以下粗略介绍两种测试方案的结构图。

（带光口误码测试系统方案）

上图的测试系统方案采用了带标准光源的误码仪，用多路分光器和衰减仪相结合的方式完成接收端校准、正反向告警测试和灵敏度测试。对于模块接收端光功率的测量，通过1X2分光器加光功率计的方式来实现。

（Anritsu的误码测试系统方案）

Anritsu的100G误码测试系统方案，采用集成BERT的一体化采样示波器，在实现灵敏度和眼图并行测试的同时，简化了系统设备。可简化QSFP/QSFP+等4通道光信号模块的自动化测试。

100G光模块的测试方案还有很多，串行测试、并行测试等等，成本与效率差异性特别明显，小龙在这里就不一一介绍了，大家有兴趣可以直接来深圳市伽蓝特科技有限公司参观交流。

（四）

在光模块的更新换代过程中，为追求更高的传输速率，已经发展到多通道的并行方式为更高的传输带宽提供支持。IEEE 802.3ba标准定义了40G和100G以太网协议，都以并行通道的方式实现。对于多路并行的模块，最效率的测试方法当然是并行测试了，小龙在本节将对并行测试方案中用到的测试仪器做简单介绍。

模块的并行测试

对于多通道的光模块就需要相应的并行测试设备来提升效率，从整个测试系统链路来看，多通道的误码仪，多通道的光衰减仪和支持多路眼图的DCA仪器的使用在不考虑成本的条件下会是最佳效率方案。

（GoLight 4通道光衰减仪）

并行的高速电信号进模块转换为光信号后，同样需要为每一信道进行链路损耗的模拟，带功率监控功率的多通道衰减仪在满足快速探测模块灵敏度同时，能简化测试系统并实时在线监控模块功率状态。

（KeySight DCA-M N1092D）

在眼图测试过程中，使用多路的光口DCA进行眼图并行测试能极大的节省测试时间，替换光开关进行通道切换，还避免由通道之间的串扰或多余链路节点带来的眼图畸变。

接收端快速衰减，采用曲线拟合试探灵敏度

光模块灵敏度测试需要通过调整光衰减仪观测误码率，但在低误码率的情况下，需要的测试时间往往是比较长的，在大规模的生产中，每个模块都去检测实际的灵敏度值是不可取的。一般可利用在高误码率下测试若干典型的误码率点，在通过最小二乘法拟合模块接收光功率-误码率曲线，并外推出低误码率（BRT=10-12）下所对于得平均光功率，这种方法在产线大规模的测试过程中尤能体现其优越性。

（曲线拟合外推灵敏度）

发射端和接收端在同一个工位上同时完成测试

灵敏度和眼图的测试安排在同一工位上，需要误码仪能同时驱动一个标准的光源模块和待测的光模块。选用更多通道的误码仪或者选用高质量了可单端驱动误码仪能能使系统连接更简洁。在设备连接方面，可用误码仪差分正极端驱动一个标准的光模块，作为标准的光信号源，待测模块则可以用负端驱动来检测发射端的眼图质量。

（GoLight4通道100G BERT）

提高光模块测试效率除了选用合适的测试设备搭建好测试方案外，优化模块的数据处理，结合模块终端客户需求对重点监控的参数进行测试，都可作为提高效率的切入点。另外对于有温度冲击要求的模块测试，温度调节过程的时间将占用整个测试的大部分时间，目前可选用高温度转换率的高低温冲击试验箱来实现，在典型的低温、高温、常温能实现快速温度转换。

本文介绍的多通道并行测试只是为了最高效率地提高测试效率。在实际的生产应用中，各生产厂家还是会根据各自的订单情况和具体产能状况对测试方法做具体调整。

（五）

光模块的自化化测试减少人工干预，多种仪器仪表设备通过通讯总线方式（GPIB、USB、RS232等）与计算机自动进行产品编号管理、数据测量、数据分析、数据判别以及数据存储等。

自动化测试省时、省力、能提高劳动生产率和产品品质，节省大量的人力成本，通过整合优化工序提升生产效率，使得规模化生产的产品有着良好的一致性，做到数据可追溯。光模块需求的爆炸式增长，助使生产商寻求更高效，更经济的模块测试方法。

光模块由光电子器件、功能电路等组成，其中光电子组件包括发射和接收两部分，模块的测试主要检测这两个部分的指标参数。

发射端主要参数从眼图上体现，包括光模块调制信号的速率-Bit Rate；反映发射端信号输出功率大小的眼高Eye Ampl；信号的峰峰值抖动（Jitter_P-P）和均方根抖动（Jitter_RMS）；度量信号“1”和“0”的眼图交叉百分比；电平转换的平均过渡时长及上升下降时间；“1”信号与“0”信号差值的光调制幅度（OMA）；调制光功率总和及平均光功率Average Power；激光功率在逻辑“1”的功率和在逻辑“0”的功率之比消光比（ER）。

接收端主要参数为PD的接收灵敏度，灵敏度越高，接收到的光功率就能越小，整个传输系统的设计传输距离就能更远。在模块生产中一般用BER=10-12条件下所接收到的光功率来表征。当模块接收到的误码率达到门限值（BER≥10-3），光模块进入LOS状态，信号丢失即LOS Assert；信号从丢失到恢复指示即LOS Dessert ；信号丢失及信号恢复之间的功率差值即LOS Hysteresis。

（接收端灵敏度示意图）

光模块的测试系统需要集成光示波器、误码仪、光开关、光衰减仪、光功率计等，下图为经典的并行测试方案。围绕待测器件ROSA端的灵敏度测试，应用BERT单端驱动一个标准的光模块，产生基准光信号,经WDM分波输入多通道衰减仪，衰减仪模拟链路损耗，将衰减后的信号送入待测模块的ROSA端，完成光电转换后，误码仪比对出不同链路损耗下的误码率，最终通过拟合方法快速获取模块灵敏度指标。对于TOSA端光学指标测试，同样通过BERT单端驱动待测光模块，经WDM器件将多路信号送入眼图仪进行眼图测试。根据眼图仪的光口通道数，亦可选用光开关进行多路眼图的串行测试。