高精度與高功率密度齊頭并進，解鎖數(shù)據(jù)中心測試的未來藍圖

  作者：是德科技產(chǎn)品營銷經(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，在這個過程中光器件的關(guān)鍵作用日益顯現(xiàn)。實現(xiàn)電信號與光信號之間的高效轉(zhuǎn)換需要精確的測試解決方案，尤其是能夠?qū)Ω叨燃傻墓馄骷?zhí)行測試的解決方案。光器件能夠高效轉(zhuǎn)換電信號和光信號，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，推動了高度集成的光器件的長足發(fā)展。這些先進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. 對集成的光器件執(zhí)行測試需要大量高精度的偏置信號源

  測試高度集成的光器件需要用到大量高精度的偏置信號源。以圖 1 所示為例，對集成的可調(diào)諧波長激光源執(zhí)行測試，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，在測試過程中還需要為每個加熱器提供高精度的偏置信號源，以便精準調(diào)節(jié)半導(dǎo)體光放大器(SOA)的波長。同樣，相干光收發(fā)信機也需要采用多個能夠與相位控制電極精準同步的高精度偏置信號源，以便將電信號準確轉(zhuǎn)換為光信號。

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

  光器件測試的必要性

  光器件是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的命脈。無論是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的接收機，還是對數(shù)據(jù)進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擔。測試這些元器件的關(guān)鍵意義在于確保它們在數(shù)據(jù)中心的動態(tài)環(huán)境下維持可靠性、出色的性能和兼容性。

  對光器件執(zhí)行測試是保證元器件能夠經(jīng)受考驗實現(xiàn)連續(xù)運行的關(guān)鍵舉措。嚴格的測試有助于發(fā)現(xiàn)元器件中可能存在的弱點、漏洞或性能局限，以便工程師完善設(shè)計并實施改進。隨著數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的不斷升級以及對能效要求的進一步提高，測試對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。

  準確的測試還有助于驗證理論模型和仿真過程，確保這些元器件在現(xiàn)實場景中的表現(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)對溫度變化、功率波動和信號失真等情況。

  除了確保單個元器件的穩(wěn)健性，測試對于提高整個系統(tǒng)的集成度也意義重大。通過在測試階段發(fā)現(xiàn)并解決兼容性、信號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)標準和法規(guī)至關(guān)重要，全面的測試是滿足乃至超越這些基準要求的關(guān)鍵。無論標準涉及的是光功率電平、信噪比還是比特誤碼率，測試都能確保光器件符合行業(yè)制定的嚴格標準。

  從本質(zhì)上講，光器件測試的重要性遠遠超過了質(zhì)量控制，成為了提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)能力一個戰(zhàn)略性舉措。通過對元器件執(zhí)行嚴格的測試，工程師為推動創(chuàng)新掃清了障礙，能夠進一步提升數(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)偏置測試對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非常大的挑戰(zhàn)。光器件與生俱來就對偏置變化非常敏感，要求的精度水平超出了傳統(tǒng)測試設(shè)備的極限。由于光器件的容差小，又具有動態(tài)特性，因此達到并保持必要的精度頗有難度。

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

  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，其非線性特性會讓測試流程變復(fù)雜。傳統(tǒng)的測試設(shè)備可能需要幫助才能準確捕捉和再現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)制特性，這樣可能會導(dǎo)致實際操作條件下的調(diào)制器性能評估不準確。

  接收機靈敏度：光接收機負責將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，它容易受到偏置電平變化的影響。在接收機上維持穩(wěn)定、準確的偏置電平是一項非常復(fù)雜且細致的工作，因為就算是輕微的偏差也會影響信號質(zhì)量，繼而影響整個通信系統(tǒng)的可靠性。準確地捕捉與光對應(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源，以便精準調(diào)節(jié)波長。相干光調(diào)制器也需要采用多個能夠與相位控制電極精準同步的高精度偏置信號源，以便將電信號準確轉(zhuǎn)換為光信號。

  對現(xiàn)實世界的仿真：在實驗室環(huán)境下仿真現(xiàn)實場景非常具有挑戰(zhàn)性。工程師必須確保測試條件能夠準確反映數(shù)據(jù)中心運行過程中的復(fù)雜情形。這包括仿真光器件在數(shù)據(jù)中心實際運行中可能遇到的各種變化，例如負載變化和環(huán)境溫度波動。

  總之，對數(shù)據(jù)中心的光器件執(zhí)行直流偏置測試面臨多重挑戰(zhàn)，其中包括密度、精度、動態(tài)條件、非線性特性、靈敏度、高速數(shù)據(jù)傳輸需求和對真實場景的仿真。應(yīng)對這些挑戰(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。

  對光器件展開高精度、高功率密度的測試

  為了應(yīng)對數(shù)據(jù)中心環(huán)境下光器件直流偏置測試面臨的多方面挑戰(zhàn)，工程師將目光轉(zhuǎn)向了多功能 SMU。接下來本文會詳細探討SMU 在幫助工程師應(yīng)對這些挑戰(zhàn)時所發(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降低引入不必要干擾的風險，這些干擾可能會影響測試結(jié)果的準確度。

  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 擅長動態(tài)偏置控制，這是處理在動態(tài)數(shù)據(jù)中心條件下運行的光器件時用到的一項關(guān)鍵功能。有些 SMU 還有其他功能，例如用于高速時序控制的智能觸發(fā)系統(tǒng)，如圖 2 所示。SMU 的動態(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)境下面臨的真實場景。這不僅能確保測試的準確性，還能洞察光器件在動態(tài)運行條件下的性能。

  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，工程師能夠準確捕捉和再現(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，確保測試結(jié)果與實際預(yù)期保持一致。

  接收機靈敏度

  SMU 的一大優(yōu)勢是能解決接收機的靈敏度問題，因為它們能夠進行必要的微調(diào)控制，以便為接收機提供穩(wěn)定的偏置條件。借助 SMU，工程師可以定制偏置參數(shù)來匹配光接收機的靈敏度，確保在較寬的電流范圍下和可重復(fù)測試條件下的測試精度。需要特別指出的是，即使偏置電平出現(xiàn)細微偏差，光接收機的性能也會受到影響，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

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SMU 進行外形尺寸設(shè)計，能為用戶節(jié)省寶貴的機架空間，盡可能縮小測試系統(tǒng)的占地面積。有些靈活的 SMU 支持混搭模塊配置，實現(xiàn)靈活擴展。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)對光器件測試面臨的挑戰(zhàn)。它不僅精度高，還易于集成，可以簡化光器件的測試評估流程，節(jié)省大量空間，同時提高測試效率。

  對現(xiàn)實世界的仿真

  SMU 有助于在實驗室環(huán)境下對現(xiàn)實世界中的真實場景進行仿真。得益于 SMU 的動態(tài)和可編程特性，工程師可以重建真實數(shù)據(jù)中心運行下的各種條件。無論是仿真負載變化、環(huán)境溫度波動還是其他動態(tài)因素，SMU 都非常靈活，能確保在接近真實場景的條件下對光器件進行測試。

  結(jié)論

  要想解決光器件直流偏置測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)傳輸需求和對真實場景的仿真等難題，對于工程師而言，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，對于在數(shù)據(jù)中心環(huán)境下可靠地測試高性能光器件起到了至關(guān)重要的作用。

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