降低光收发器的测试成本

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通过缩短消光比和眼图模板测试的时间来节约成本——Agilent, Greg Lecheminant

. f& G- q6 N/ \* z' I6 r光收发器是手机基站，短链接数据中心，校园网络，长距电信网络的基本器件。制造商每月出货数百万只，市场的激烈竞争迫使他们找到低成本的方法，当然包括测试成本。
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/ t! v. v) J: r3 T5 f9 t改进测试工序以降低总体生产成本。单一的收发器测试系统成本在10万美金以上，一个典型的制造基地往往有许多的测试系统。光收发器利润是一定的，相对于数百万的收发器的生产成本，测试仪器只占到整个成本的很少一部分，这个事实也许会让你吃惊。但测试时间却在整个生产费用中成为了显著因素，减少测试时间将会极大的降低成本。

* Z* s, ^: ]. F超越电气测试
从电气角度看，光收发器的laser相当于二极管，但是收发器的测试过程和纯的电气元件明显不同。比如，laser半导体芯片必须和lens结构配合，输出效率和光纤有关。
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及时稳定量产的成熟产品，你也必须单独调整每个laser，以便正确偏置从而获得合适的输出功率和波形。发射机中的laser会有输出功率和输入电流的传递函数，类似于二极管的IV特性。较低的电流，laser diode发射非常小的光功率。F1展示了这个情况，随着电流的增大输出光功率迅速增大。因此，当你接收到电气输入逻辑0是需要将laser偏置到非常小的功率，逻辑1时很高的功率。偏置的最好办法是使用特定laser优化的电阻网络。


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) M1 F9 n9 t! @laser正确偏置，需要测量逻辑0和逻辑1的光功率。你可以使用集成了光前端的宽带示波器测量，比如Agilent的DCA，可以显示眼图。通过眼图可以查看laser的消光比，逻辑1的平均值和逻辑0的平均值比率。消光比是显示laser diode将电气输入转化为调制光的有用参数。可以用直方图分析信号电平，经常在眼图中央的20%区域显示，如F2所示。

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' e2 ?' |1 E/ L+ I% P) R消光比测量让你设置所有的AC和DC laser-bias条件。laer偏置会影响输出波形的形状。在调谐laser时，你可以监视眼图并使用眼图模板量化眼图的形状。

眼图模板由高于，中间和低于眼图的多边形组成，定义了眼图不能存在的区域，尤其是允许的最小眼开。对于典型的眼图模板测试，眼图轮廓样点会引起模板背离。不仅是决定收发器通过模板测试，而且还能看出一致性测试的裕量。模板裕量越大，光发射机信号可以不背离模板极限。
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Laser-tuning流程可以代表收发器制造商的显著成本。调谐花费的时间会制约制造系统的产量，影响许多测试标准和要求满足生产需求的制造基底空间。虽然已高度自动化，调谐流程通常需要一名技术人员或工程师在测试夹具上安装收发器，并确保必需光纤连接。要求执行眼图测试的设备代表了显著的资本支出。改进测试效率的努力会降低测试收发器的成本。

$ z" ]) ^+ P! K$ p5 A. D, T检验测试效率
. {# O) F2 M$ j: [% i* ]评估测试的效率，从你如何采集和测量眼图开始。创建眼图，发送电气数据信号到发射机并用DCA类的示波器捕获信号。数据码型表示发射机实际使用的数据，工程师通常使用PRBS码型，因为能代表广泛的数据码型。DCA通过采集整个发射的数据码型重建和显示发射机信号眼图。可以将DCA设置在无限余辉模式，数据会保持显示。眼图持续创建当DCA收集更多数据时。

工业组织如IEEE 802.3ae，802.3ba和ITU G.957和G.691定义了测试和测试仪器，但不会定义应该采集多少数据。你或许会想采集越多的数据，眼图越真实的显示出发射机的性能。采集更多的数据需要花费更多的时间，会显著增加测试成本，降低测试系统的吞吐。可以使用更快的测试系统，但是更好的选择是开发只使用较少数据便能提供有效结果的测试方法。
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从眼图中可以分离出消光比和眼图模板，但2种测试准确结果所需的数据量大不相同。消光比从眼图直方图的平均值获得，眼图模板则依赖于眼图数据的统计结果。

- u1 x9 J% j- Z* D1 |) z8 c4 A找到理想偏置通常需要交互。设置偏置，测量眼图，调整偏置电平直到获得最大的消光比。必须重复这个流程直到光发射机获得所需的波形性能。

  {. Y; _! }0 [1 T  y& W使用DCA类的示波器在无限余辉模式收集每个偏置设置的大量样点需要花费大量的时间，运行有限余辉模式可以显著提升效率。DCA几乎同时获得消光比结果，因为很小的数据量便足够获得准确的结果。因此，测试系统可以在调谐laser偏置时连续监视消光比，可以在数秒内获得理想的偏置，而不是无限余辉的数十秒。
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眼图模板验证
一旦获得最优的laser偏置，便可以验证眼图模板性能。观察波形形状的统计末端，需要将DCA运行在无限余辉模式，以便每个波形保持显示。波形包含随机信号成分如噪声和抖动，不保证任何实际的样点分布都包含在波形的末端。示波器捕获更多的样点，增加发射机背离模板的几率。因此，结果会随着数据的增加变坏，导致很小的模板裕量。测试可能不了一致性。波形样点形状给定，模板裕量在不同的测试中变化，有些样点具有末端轮廓，而另一些则没有。
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6 [5 i3 K. `# D, l& ^. h0 GIEEE 和 ITU 通信标准通过允许少量的波形样点背离模板解决这个测量问题。典型地，标准允许没20,000个中有一个样点碰撞眼图模板。通过这种方法，样点分布显著超过20,000，忽略一些样点后结果是一致的。这导致了一个非常重要的问题：在提供高可靠性的时候收集多少数据，模板裕量是准确的？用较少的数据获得准确的结果，可以减少测试时间和生产成本。

4 P( i2 Z9 s' h- H; v当你设置模板测试时可以取得3种不同因素的折中：样点的数量，模板裕量，测量的不确定性。比如，可以配置眼图模板测试以便示波器采集数据直到模板裕量超过幅度在+/-1%，另一种方法，可以发现最大的模板裕量程度以较少的数据获得+/-2%的误差。
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这2种方法比较相似，但前者是一个有效获得真眼图模板裕量的方法，后者取决于你想在多大程度上获得真眼图模板裕量。如果一个收发器本质上有好的模板裕量，就可以减少样点数量。假设测试设备成本是一样的，最高性价比测试系统不是最快获得数据的，但肯定是在最短时间内就能提供准确和可靠结果的。

; y% a( V5 b5 oF3a 和 F3b 高亮了眼图模板不确定度和样点的折中。在F3a中，眼图模板裕量的不确定度是+/- 0.48% ，F3b中是 +/- 2.56% ，F3a有较低的不确定度，但采集的样点是 502.46k 对比 100.98k，显然F3b花费了更多的时间。
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也可以通过并行测试降低测试成本。一些DCA类的采样示波器可以从几个通道同步采集数据而不降低系统的吞吐率。操作员可以连接4个收发器到测试系统并自动调谐所有的器件，同时获得眼图。

8 A* V. S8 y- N) G! {) E( @将收发器放置到测试设备所需的时间成为持续降低费用的瓶颈。传统上，设置时间是被忽略的，这不再适用。处理和设置成为测试流程的另一个可以改进的领域。

也许有一天，光收发器测试或许成为和那些纯粹的电气器件一样的无缝和有效。但只要Laser需要调谐，便需要用高速采样示波器分析波形。稳步改进测试算法和流程可以显著降低测试成本，满足收发器厂商产量渐增的同时降低测试成本。