高精度與高功率密度齊頭并進(jìn)，解鎖數(shù)據(jù)中心測(cè)試的未來藍(lán)圖

  作者：是德科技產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Gobinath Tamil Vanan

  為了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求，數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展，在這個(gè)過程中光器件的關(guān)鍵作用日益顯現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)之間的高效轉(zhuǎn)換需要精確的測(cè)試解決方案，尤其是能夠?qū)Ω叨燃傻墓馄骷?zhí)行測(cè)試的解決方案。光器件能夠高效轉(zhuǎn)換電信號(hào)和光信號(hào)，在支撐現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心發(fā)展過程中的作用舉足輕重。尤其是用戶對(duì)于更高速度、更小尺寸和更大數(shù)據(jù)流量的需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)了高度集成的光器件的長(zhǎng)足發(fā)展。這些先進(jìn)的器件將眾多功能和元器件整合在一起，有助于打造高效的小型化系統(tǒng)。

  圖 1. 對(duì)集成的光器件執(zhí)行測(cè)試需要大量高精度的偏置信號(hào)源

  測(cè)試高度集成的光器件需要用到大量高精度的偏置信號(hào)源。以圖 1 所示為例，對(duì)集成的可調(diào)諧波長(zhǎng)激光源執(zhí)行測(cè)試，需要為激光二極管提供精密的電流源，以確穩(wěn)定的保光學(xué)性能。此外，在測(cè)試過程中還需要為每個(gè)加熱器提供高精度的偏置信號(hào)源，以便精準(zhǔn)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體光放大器(SOA)的波長(zhǎng)。同樣，相干光收發(fā)信機(jī)也需要采用多個(gè)能夠與相位控制電極精準(zhǔn)同步的高精度偏置信號(hào)源，以便將電信號(hào)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。

  為了測(cè)試可調(diào)諧激光源和相干接收機(jī)的光功率和波長(zhǎng)，工程師要通過非常精細(xì)的偏置掃描來完成詳細(xì)的表征。因此，他們會(huì)遇到測(cè)試時(shí)間顯著延長(zhǎng)以及熱效應(yīng)帶來預(yù)料之外的波長(zhǎng)偏移等問題。為了解決這類問題，一種有效方案是盡量縮短每個(gè)掃描步驟的持續(xù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速掃描。

  光器件測(cè)試的必要性

  光器件是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的命脈。無論是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的接收機(jī)，還是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行載波整形然后編碼到光載波上的調(diào)制器，這些元器件構(gòu)成了現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的基石。人們不懈地追求更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，希望數(shù)據(jù)中心具有更大帶寬，這樣的需求給光器件帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。測(cè)試這些元器件的關(guān)鍵意義在于確保它們?cè)跀?shù)據(jù)中心的動(dòng)態(tài)環(huán)境下維持可靠性、出色的性能和兼容性。

  對(duì)光器件執(zhí)行測(cè)試是保證元器件能夠經(jīng)受考驗(yàn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵舉措。嚴(yán)格的測(cè)試有助于發(fā)現(xiàn)元器件中可能存在的弱點(diǎn)、漏洞或性能局限，以便工程師完善設(shè)計(jì)并實(shí)施改進(jìn)。隨著數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的不斷升級(jí)以及對(duì)能效要求的進(jìn)一步提高，測(cè)試對(duì)于盡最大可能降低光器件的功耗并優(yōu)化熱特性有著重大意義。

  準(zhǔn)確的測(cè)試還有助于驗(yàn)證理論模型和仿真過程，確保這些元器件在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的表現(xiàn)與預(yù)期相符。工程師必須確信光器件能夠在各種條件下可靠地工作，完美應(yīng)對(duì)溫度變化、功率波動(dòng)和信號(hào)失真等情況。

  除了確保單個(gè)元器件的穩(wěn)健性，測(cè)試對(duì)于提高整個(gè)系統(tǒng)的集成度也意義重大。通過在測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)并解決兼容性、信號(hào)完整性和互操作性等問題，能夠避免在數(shù)據(jù)中心部署的后期階段出現(xiàn)潛在隱患。

  遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)至關(guān)重要，全面的測(cè)試是滿足乃至超越這些基準(zhǔn)要求的關(guān)鍵。無論標(biāo)準(zhǔn)涉及的是光功率電平、信噪比還是比特誤碼率，測(cè)試都能確保光器件符合行業(yè)制定的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

  從本質(zhì)上講，光器件測(cè)試的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了質(zhì)量控制，成為了提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)能力一個(gè)戰(zhàn)略性舉措。通過對(duì)元器件執(zhí)行嚴(yán)格的測(cè)試，工程師為推動(dòng)創(chuàng)新掃清了障礙，能夠進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的效率、可靠性和整體性能，制勝未來。

  光器件測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)

  在數(shù)據(jù)中心環(huán)境下完成復(fù)雜的光器件直流(DC)偏置測(cè)試對(duì)工程師而言存在諸多挑戰(zhàn)。本文旨在剖析這些挑戰(zhàn)，看看工程師會(huì)遇到哪些障礙。

  精度要求：控制偏置電壓和電流需要的精度是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。光器件與生俱來就對(duì)偏置變化非常敏感，要求的精度水平超出了傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的極限。由于光器件的容差小，又具有動(dòng)態(tài)特性，因此達(dá)到并保持必要的精度頗有難度。

  動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件：數(shù)據(jù)中心環(huán)境是一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境，溫度、功率和信號(hào)條件的波動(dòng)都是常態(tài)。在這樣的動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下保持穩(wěn)定的直流偏置相當(dāng)有難度。光器件必須始終如一地可靠運(yùn)行，即便在偏置電平快速變化的情況下也是如此，因此對(duì)這些元器件進(jìn)行測(cè)試就非常有必要。

  調(diào)制器的非線性特性：調(diào)制器作為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，其非線性特性會(huì)讓測(cè)試流程變復(fù)雜。傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備可能需要幫助才能準(zhǔn)確捕捉和再現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)制特性，這樣可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際操作條件下的調(diào)制器性能評(píng)估不準(zhǔn)確。

  接收機(jī)靈敏度：光接收機(jī)負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它容易受到偏置電平變化的影響。在接收機(jī)上維持穩(wěn)定、準(zhǔn)確的偏置電平是一項(xiàng)非常復(fù)雜且細(xì)致的工作，因?yàn)榫退闶禽p微的偏差也會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，繼而影響整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性。準(zhǔn)確地捕捉與光對(duì)應(yīng)的大電流變化也極具挑戰(zhàn)性。

  通道密度越來越高：高度集成的光器件具有更多的測(cè)試端口和元器件，需要大量高精度電源和巨大的空間。例如，一體化可調(diào)諧激光源需要為激光二極管提供精密電流源，才能確保穩(wěn)定的光性能，還需要為加熱器提供高精度的偏置信號(hào)源，以便精準(zhǔn)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)。相干光調(diào)制器也需要采用多個(gè)能夠與相位控制電極精準(zhǔn)同步的高精度偏置信號(hào)源，以便將電信號(hào)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。

  對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的仿真：在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下仿真現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景非常具有挑戰(zhàn)性。工程師必須確保測(cè)試條件能夠準(zhǔn)確反映數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過程中的復(fù)雜情形。這包括仿真光器件在數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的各種變化，例如負(fù)載變化和環(huán)境溫度波動(dòng)。

  總之，對(duì)數(shù)據(jù)中心的光器件執(zhí)行直流偏置測(cè)試面臨多重挑戰(zhàn)，其中包括密度、精度、動(dòng)態(tài)條件、非線性特性、靈敏度、高速數(shù)據(jù)傳輸需求和對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的仿真。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)需要采用創(chuàng)新的方法和專門的設(shè)備，而源表模塊(SMU)在突破這些復(fù)雜障礙方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

  對(duì)光器件展開高精度、高功率密度的測(cè)試

  為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心環(huán)境下光器件直流偏置測(cè)試面臨的多方面挑戰(zhàn)，工程師將目光轉(zhuǎn)向了多功能 SMU。接下來本文會(huì)詳細(xì)探討SMU 在幫助工程師應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

  高精度和穩(wěn)定性

  SMU 的精妙之處在于它能精確測(cè)量偏置電壓和電流。SMU 具有超高精度，使得工程師能夠極其準(zhǔn)確地設(shè)置和保持偏置電平。SMU 還具有卓越的穩(wěn)定性，確保光器件獲得一致且可靠的偏置條件。SMU 可通過低噪聲直流信號(hào)降低引入不必要干擾的風(fēng)險(xiǎn)，這些干擾可能會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

  智能觸發(fā)控制

圖 2. 能夠靈活同步的智能觸發(fā)系統(tǒng)流程圖

  SMU 擅長(zhǎng)動(dòng)態(tài)偏置控制，這是處理在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中心條件下運(yùn)行的光器件時(shí)用到的一項(xiàng)關(guān)鍵功能。有些 SMU 還有其他功能，例如用于高速時(shí)序控制的智能觸發(fā)系統(tǒng)，如圖 2 所示。SMU 的動(dòng)態(tài)能力使得工程師能夠仿真偏置電平的快速變化，重建光器件在高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下面臨的真實(shí)場(chǎng)景。這不僅能確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，還能洞察光器件在動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下的性能。

  調(diào)制器的非線性特性

  SMU 能管理調(diào)制器的非線性特性。憑借 SMU 的可編程性和高精度等優(yōu)勢(shì)，工程師能夠準(zhǔn)確捕捉和再現(xiàn)調(diào)制器的調(diào)制特性。通過提供穩(wěn)定、可控的偏置環(huán)境，SMU 可以深入分析調(diào)制器的性能，確保測(cè)試結(jié)果與實(shí)際預(yù)期保持一致。

  接收機(jī)靈敏度

  SMU 的一大優(yōu)勢(shì)是能解決接收機(jī)的靈敏度問題，因?yàn)樗鼈兡軌蜻M(jìn)行必要的微調(diào)控制，以便為接收機(jī)提供穩(wěn)定的偏置條件。借助 SMU，工程師可以定制偏置參數(shù)來匹配光接收機(jī)的靈敏度，確保在較寬的電流范圍下和可重復(fù)測(cè)試條件下的測(cè)試精度。需要特別指出的是，即使偏置電平出現(xiàn)細(xì)微偏差，光接收機(jī)的性能也會(huì)受到影響，在這種情況下，SMU 的精密度就顯得尤為關(guān)鍵。

  高功率密度的、緊湊的外形設(shè)計(jì)

圖 3. 20 通道偏置解決方案設(shè)置示例

  如圖 3 所示， 基于高通道密度對(duì)SMU 進(jìn)行外形尺寸設(shè)計(jì)，能為用戶節(jié)省寶貴的機(jī)架空間，盡可能縮小測(cè)試系統(tǒng)的占地面積。有些靈活的 SMU 支持混搭模塊配置，實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)展。集成了脈沖發(fā)生器和數(shù)字化儀功能的一體化SMU 解決方案，能夠減少所需測(cè)試儀器的數(shù)量，縮小系統(tǒng)的占地面積。SMU 在小巧的外形尺寸下提供多通道、高精度的電流偏置，以應(yīng)對(duì)光器件測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)。它不僅精度高，還易于集成，可以簡(jiǎn)化光器件的測(cè)試評(píng)估流程，節(jié)省大量空間，同時(shí)提高測(cè)試效率。

  對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的仿真

  SMU 有助于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行仿真。得益于 SMU 的動(dòng)態(tài)和可編程特性，工程師可以重建真實(shí)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行下的各種條件。無論是仿真負(fù)載變化、環(huán)境溫度波動(dòng)還是其他動(dòng)態(tài)因素，SMU 都非常靈活，能確保在接近真實(shí)場(chǎng)景的條件下對(duì)光器件進(jìn)行測(cè)試。

  結(jié)論

  要想解決光器件直流偏置測(cè)試中遇到的各種挑戰(zhàn)，包括密度、精度、智能觸發(fā)控制、非線性特性、靈敏度、高速數(shù)據(jù)傳輸需求和對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的仿真等難題，對(duì)于工程師而言，SMU 是一種不可或缺的利器。SMU 的多功能和高精度這兩大特性，對(duì)于在數(shù)據(jù)中心環(huán)境下可靠地測(cè)試高性能光器件起到了至關(guān)重要的作用。

  關(guān)于是德科技

  是德科技(NYSE：KEYS)啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試解決方案，旨在幫助工程師在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時(shí)控制好風(fēng)險(xiǎn)。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天與國(guó)防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場(chǎng)。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個(gè)安全互聯(lián)的世界。了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問是德科技官網(wǎng) www.keysight.com。