高精度与高功率密度齐头并进，解锁数据中心测试的未来蓝图

作者：是德科技产品营销经理Gobinath Tamil Vanan

摘要
为了满足高速数据传输需求，数据中心蓬勃发展，在这个过程中光器件的作用变得越来越重要。实现电信号与光信号之间的高效转换需要精确的测试解决方案，尤其是用于对高度集成的光器件执行测试的解决方案。尽管这些器件的测试还面临严峻挑战，但已经有一些创新的解决方案能够提高测试效率和准确度。
正文
为了满足高速数据传输需求，数据中心蓬勃发展，在这个过程中光器件的关键作用日益显现。实现电信号与光信号之间的高效转换需要精确的测试解决方案，尤其是能够对高度集成的光器件执行测试的解决方案。光器件能够高效转换电信号和光信号，在支撑现代数据中心发展过程中的作用举足轻重。尤其是用户对于更高速度、更小尺寸和更大数据流量的需求不断增长，推动了高度集成的光器件的长足发展。这些先进的器件将众多功能和元器件整合在一起，有助于打造高效的小型化系统。

图 1. 对集成的光器件执行测试需要大量高精度的偏置信号源

测试高度集成的光器件需要用到大量高精度的偏置信号源。以图 1 所示为例，对集成的可调谐波长激光源执行测试，需要为激光二极管提供精密的电流源，以确稳定的保光学性能。此外，在测试过程中还需要为每个加热器提供高精度的偏置信号源，以便精准调节半导体光放大器（SOA）的波长。同样，相干光收发信机也需要采用多个能够与相位控制电极精准同步的高精度偏置信号源，以便将电信号准确转换为光信号。
为了测试可调谐激光源和相干接收机的光功率和波长，工程师要通过非常精细的偏置扫描来完成详细的表征。因此，他们会遇到测试时间显著延长以及热效应带来预料之外的波长偏移等问题。为了解决这类问题，一种有效方案是尽量缩短每个扫描步骤的持续时间，实现快速扫描。
光器件测试的必要性
光器件是高速数据传输系统的命脉。无论是把光信号转换成电信号的接收机，还是对数据进行载波整形然后编码到光载波上的调制器，这些元器件构成了现代通信网络的基石。人们不懈地追求更高的数据传输速率，希望数据中心具有更大带宽，这样的需求给光器件带来了巨大的负担。测试这些元器件的关键意义在于确保它们在数据中心的动态环境下维持可靠性、出色的性能和兼容性。
对光器件执行测试是保证元器件能够经受考验实现连续运行的关键举措。严格的测试有助于发现元器件中可能存在的弱点、漏洞或性能局限，以便工程师完善设计并实施改进。随着数据中心架构的不断升级以及对能效要求的进一步提高，测试对于尽最大可能降低光器件的功耗并优化热特性有着重大意义。
准确的测试还有助于验证理论模型和仿真过程，确保这些元器件在现实场景中的表现与预期相符。工程师必须确信光器件能够在各种条件下可靠地工作，完美应对温度变化、功率波动和信号失真等情况。
除了确保单个元器件的稳健性，测试对于提高整个系统的集成度也意义重大。通过在测试阶段发现并解决兼容性、信号完整性和互操作性等问题，能够避免在数据中心部署的后期阶段出现潜在隐患。
遵守行业标准和法规至关重要，全面的测试是满足乃至超越这些基准要求的关键。无论标准涉及的是光功率电平、信噪比还是比特误码率，测试都能确保光器件符合行业制定的严格标准。
从本质上讲，光器件测试的重要性远远超过了质量控制，成为了提高数据中心网络能力一个战略性举措。通过对元器件执行严格的测试，工程师为推动创新扫清了障碍，能够进一步提升数据中心基础设施的效率、可靠性和整体性能，制胜未来。
光器件测试面临的挑战
在数据中心环境下完成复杂的光器件直流（DC）偏置测试对工程师而言存在诸多挑战。本文旨在剖析这些挑战，看看工程师会遇到哪些障碍。
精度要求：控制偏置电压和电流需要的精度是一个非常大的挑战。光器件与生俱来就对偏置变化非常敏感，要求的精度水平超出了传统测试设备的极限。由于光器件的容差小，又具有动态特性，因此达到并保持必要的精度颇有难度。
动态运行条件：数据中心环境是一个动态环境，温度、功率和信号条件的波动都是常态。在这样的动态运行条件下保持稳定的直流偏置相当有难度。光器件必须始终如一地可靠运行，即便在偏置电平快速变化的情况下也是如此，因此对这些元器件进行测试就非常有必要。
调制器的非线性特性：调制器作为光通信系统中的关键元器件，其非线性特性会让测试流程变复杂。传统的测试设备可能需要帮助才能准确捕捉和再现复杂的调制特性，这样可能会导致实际操作条件下的调制器性能评估不准确。
接收机灵敏度：光接收机负责将光信号转换为电信号，它容易受到偏置电平变化的影响。在接收机上维持稳定、准确的偏置电平是一项非常复杂且细致的工作，因为就算是轻微的偏差也会影响信号质量，继而影响整个通信系统的可靠性。准确地捕捉与光对应的大电流变化也极具挑战性。
通道密度越来越高：高度集成的光器件具有更多的测试端口和元器件，需要大量高精度电源和巨大的空间。例如，一体化可调谐激光源需要为激光二极管提供精密电流源，才能确保稳定的光性能，还需要为加热器提供高精度的偏置信号源，以便精准调节波长。相干光调制器也需要采用多个能够与相位控制电极精准同步的高精度偏置信号源，以便将电信号准确转换为光信号。
对现实世界的仿真：在实验室环境下仿真现实场景非常具有挑战性。工程师必须确保测试条件能够准确反映数据中心运行过程中的复杂情形。这包括仿真光器件在数据中心实际运行中可能遇到的各种变化，例如负载变化和环境温度波动。
总之，对数据中心的光器件执行直流偏置测试面临多重挑战，其中包括密度、精度、动态条件、非线性特性、灵敏度、高速数据传输需求和对真实场景的仿真。应对这些挑战需要采用创新的方法和专门的设备，而源表模块（SMU）在突破这些复杂障碍方面发挥了关键作用。
对光器件展开高精度、高功率密度的测试
为了应对数据中心环境下光器件直流偏置测试面临的多方面挑战，工程师将目光转向了多功能 SMU。接下来本文会详细探讨SMU 在帮助工程师应对这些挑战时所发挥的关键作用。
高精度和稳定性
SMU 的精妙之处在于它能精确测量偏置电压和电流。SMU 具有超高精度，使得工程师能够极其准确地设置和保持偏置电平。SMU 还具有卓越的稳定性，确保光器件获得一致且可靠的偏置条件。SMU 可通过低噪声直流信号降低引入不必要干扰的风险，这些干扰可能会影响测试结果的准确度。
智能触发控制

图 2. 能够灵活同步的智能触发系统流程图

SMU 擅长动态偏置控制，这是处理在动态数据中心条件下运行的光器件时用到的一项关键功能。有些 SMU 还有其他功能，例如用于高速时序控制的智能触发系统，如图 2 所示。SMU 的动态能力使得工程师能够仿真偏置电平的快速变化，重建光器件在高速数据传输环境下面临的真实场景。这不仅能确保测试的准确性，还能洞察光器件在动态运行条件下的性能。
调制器的非线性特性
SMU 能管理调制器的非线性特性。凭借 SMU 的可编程性和高精度等优势，工程师能够准确捕捉和再现调制器的调制特性。通过提供稳定、可控的偏置环境，SMU 可以深入分析调制器的性能，确保测试结果与实际预期保持一致。
接收机灵敏度
SMU 的一大优势是能解决接收机的灵敏度问题，因为它们能够进行必要的微调控制，以便为接收机提供稳定的偏置条件。借助 SMU，工程师可以定制偏置参数来匹配光接收机的灵敏度，确保在较宽的电流范围下和可重复测试条件下的测试精度。需要特别指出的是，即使偏置电平出现细微偏差，光接收机的性能也会受到影响，在这种情况下，SMU 的精密度就显得尤为关键。
高功率密度的、紧凑的外形设计

图 3. 20 通道偏置解决方案设置示例

如图 3 所示， 基于高通道密度对SMU 进行外形尺寸设计，能为用户节省宝贵的机架空间，尽可能缩小测试系统的占地面积。有些灵活的 SMU 支持混搭模块配置，实现灵活扩展。集成了脉冲发生器和数字化仪功能的一体化SMU 解决方案，能够减少所需测试仪器的数量，缩小系统的占地面积。SMU 在小巧的外形尺寸下提供多通道、高精度的电流偏置，以应对光器件测试面临的挑战。它不仅精度高，还易于集成，可以简化光器件的测试评估流程，节省大量空间，同时提高测试效率。
对现实世界的仿真
SMU 有助于在实验室环境下对现实世界中的真实场景进行仿真。得益于 SMU 的动态和可编程特性，工程师可以重建真实数据中心运行下的各种条件。无论是仿真负载变化、环境温度波动还是其他动态因素，SMU 都非常灵活，能确保在接近真实场景的条件下对光器件进行测试。
结论
要想解决光器件直流偏置测试中遇到的各种挑战，包括密度、精度、智能触发控制、非线性特性、灵敏度、高速数据传输需求和对真实场景的仿真等难题，对于工程师而言，SMU 是一种不可或缺的利器。SMU 的多功能和高精度这两大特性，对于在数据中心环境下可靠地测试高性能光器件起到了至关重要的作用。

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