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引言

光电共封装代表着传统可插拔光收发器的根本性转变。与传统方法中光模块作为独立组件不同，CPO使用硅基光电子技术将光引擎直接集成在与交换ASIC相同的电路板上。这种创新封装方法解决了现代数据中心面临的若干核心挑战，包括功耗、散热成本以及在800 GbE及更高传输速度下变得日益严重的空间限制问题。

CPO技术发展的推动力源于机器学习和人工智能应用不断增长的需求，这些应用需要极高的通信速度。当前使用可插拔光收发器的数据中心以太网交换机正在向800 GbE过渡，内部交换ASIC与光收发器之间需要53 Gbaud的PAM4信号传输。传统架构中的电气路径成为瓶颈，需要大量数字校正来补偿长距离信号损耗，最终导致过高的功耗和散热需求。

图1：从可插拔光收发器通过板载光学器件到当前CPO实现方案及未来集成设计的技术发展历程，显示光引擎如何围绕ASIC定位。

CPO技术标准化工作由多个知名组织协调推进，包括光互联论坛（OIF）光电共封装框架实施协议和板载光学器件联盟（COBO）光电共封装工作组。OIF设想实现51.2 Tbps以太网交换机，利用16个光引擎，每个具备3.2 Tbps吞吐量，战略性地围绕中央交换ASIC定位。

有效的CPO评估需要系统性方法，针对三个基本测试点确保全面的系统验证。测试架构涵盖交换ASIC的电信号测试、光引擎的光信号测试以及完整CPO交换机的以太网信号测试。每个测试领域都针对特定标准和性能指标，这些指标对整体系统互操作性和可靠性具有关键意义。

图2：CPO模块的三个主要测试领域，显示电接口测试、光接口测试和功能以太网测试之间的关系及其相应的测量仪器。

电接口测试专注于CEI-112G-XSR-PAM4标准，目前正在讨论支持CEI-112G-XSR+-PAM4以适应近封装光学器件（NPO）应用。该测试领域评估误码率、应力测试能力以及直接影响设备互操作性的信号完整性参数。由于环境应力、传输信道特性和信号劣化机制等各种外部因素，电信号测试的复杂性显著增加。

交换ASIC电信号测试代表了确定整个系统在恶劣条件下维持信号完整性能力的关键验证步骤。测试过程采用复杂的应力测试方法来模拟真实世界的运行环境。信号质量分析仪-R MP1900A作为主要测试平台，提供支持NRZ和PAM4信号调制的高速电信号测试综合能力，支持每通道高达32和64 Gbaud的速率。

图3：使用MP1900A系统的综合应力测试设置，说明合成器、抖动、噪声和PAM4模块如何协同工作，为ASIC验证创建真实的应力条件。

应力测试方法涉及生成受控的抖动和噪声条件，复制CPO系统在实际部署中遇到的挑战性环境。MP1900A的模块化架构能够同时生成多种应力因子，包括系统抖动、随机抖动和有界不相关抖动。来自合成器模块的参考时钟信号馈送抖动模块，引入精确控制的时序变化。随后，图案发生器创建测试图案，通过噪声模块处理后到达被测交换ASIC。

光引擎测试需要复杂的评估技术来处理波形特性和频谱特性。CPO光引擎生成的光信号遵循已建立的400GBASE标准，同时使用PAM4调制技术。PAM4波形的主要评估指标是PAM4发射器和色散眼图闭合度（TDECQ），通过眼图分析提供信号质量的定量评估。

BERTWave MP2110A作为光收发器测试的综合解决方案，支持10G到800G的测量范围，同时提供详细的NRZ和PAM4眼图分析。测试配置因评估的具体光标准而异，400GBASE-DR4实现需要使用MPO配置等多芯连接器的分支电缆。

图4：400GBASE-DR4测试的直接连接设置，显示光引擎如何连接到BERTWave MP2110A进行综合波形评估。

对于400GBASE-FR4实现，测试方法需要解复用设备在分析前分离波分复用信号。该配置解决了通过单纤维连接同时传输多个波长引入的复杂性。

图5：400GBASE-FR4所需的更复杂测试设置，包含DEMUX组件在单独通道分析前分离复用波长。

CPO测试中出现的一个重大挑战来自规模要求，特别是对于使用400GBASE × 8配置的OIF定义的3.2 Tbps光引擎。这些实现需要测试三十二个独立通道，相比传统可插拔收发器典型的四到八个通道显著增加。测试方法必须平衡设备资本成本与测试时间要求，选项包括使用多个仪器的并行测量或使用光交换配置的顺序测试。

光谱分析提供光信号特性的基本表征，包括中心波长精度、谱宽测量和边模抑制比（SMSR）评估。这些参数直接影响系统性能和互操作性，使精确测量对确保符合既定标准极为重要。

MS9740B光谱分析仪为评估光引擎特性提供综合能力，对于采用外部光源的CPO设计特别重要。许多CPO实现中使用的外部激光小型可插拔（ELSFP）光源产生极高的光功率水平，每通道达到+20 dBm，需要仔细考虑测量以防止仪器损坏。

图6：包含光交换和解复用设备的频谱分析设置，展示ELSFP光源如何与光引擎集成进行综合频谱表征。

ELSFP器件采用的盲插方法直接在连接器接口输出光功率，创造了独特的测试挑战。评估独立ELSFP组件需要专门的评估板来安全捕获光信号，而与耦合光引擎和ELSFP器件的集成测试能够实现综合的系统级验证。

图7：同时使用采样示波器和光谱分析仪的组合测试方法，能够综合评估波形和频谱特性。

完整的CPO系统验证需要综合的以太网层测试，评估物理层性能和更高层协议功能。网络主控专业版MT1040A提供评估无错数据传输的基本能力，同时在真实运行条件下监控前向纠错（FEC）算法性能。

图8：实时FEC分布分析界面，展示如何监控和分类错误模式以确保传输质量保持在可接受参数范围内。

高速PAM4调制和400GBASE光信令的日益复杂性由于幅度裕量减少而产生信号错误概率升高。IEEE规定的前向纠错算法提供基本的纠错能力，但这些系统在面对超过纠错算法能力的过多连续错误模式时具有固有限制。

图9：完整CPO交换机验证的双端口测试配置，显示两个400G光模块如何实现包括帧丢失、错误帧和延迟测量在内的综合交换机性能评估。

双端口测试方法通过创建同时测试输入和输出能力的环回配置实现综合交换机性能评估。该方法在受控流量条件下提供帧丢失特性、错误帧生成和延迟测量的定量评估。彩色编码结果显示能够快速识别性能问题，同时基于阈值的警报确保参数偏差的即时通知。

通过系统性应用这些综合测试方法，工程师能够确保CPO实现满足严格的性能要求，同时在多样化网络环境中保持互操作性。电气、光学和以太网层测试的集成为下一代数据中心基础设施中CPO的成功部署提供了基础。

参考文献