Тестування аналогової високошвидкісної схеми для оптичних мереж

Седрік мер, головний технічний директор, Presto Engineering, Inc., CA

Аналогові високошвидкісні пристрої зв’язку далеко не вписуються в стандартний об’ємний процес випробувань виробництва з добре налагодженим набором найвідоміших практик.

Інтернет речей (IoT) стане наступним швидкозростаючим ринком бездротових мереж, оскільки він стимулює ріст хмарної інфраструктури, зумовлений споживчим попитом на повсюдний і миттєвий доступ до інформації. Ми часто з цілком вагомих причин зосереджуємося на тому, як ці мільярди датчиків і мікросхем будуть підключені до приміщення та доступу до інфраструктури, але ми досить послідовно забуваємо, що ці потоки даних також повинні бути переведені в основну мережу та направлені до відповідний центр обробки даних. Пропускна здатність оптичної мережі та центру обробки даних вже починає наздоганяти постійно зростаючий попит на мобільні та відеодані. Опитування трафіку IP Cisco (рис. 1) показує, що попит на пропускну здатність зростає пекельними темпами 48% CAGR.

Рисунок 1. Тенденція трафіку IP та коефіцієнт використання.

Щоб уникнути враження від цього цунамі даних, галузь відповіла, що збільшила пропускну здатність. І інфраструктура, і постачальники послуг почали розгортати високошвидкісні лінії Ethernet зі швидкістю 40 Гбіт / с та 100 Гбіт / с, головним чином у верхній частині своєї мережі для агрегаційних маршрутизаторів та комутаторів та транспондерів на великі відстані. Ethernet 100G, заснований на оптичних компонентах, швидко витісняє 10G робочого коня останнього десятиліття у галузі телекомунікацій та передачі даних. Малюнок 2 з нещодавнього звіту IHS-Infonetics Research справді зосереджує увагу на неминучому виникненні епохи 100G у мережі.

Рисунок 2. Передана пропускна здатність на швидкість передачі даних.

Аналоговий вже не означає повільнийТехнологічно аналог означає більше бездротового спектру в радіочастоті, а також більше довжин оптичних хвиль і більшу пропускну здатність модуляції в оптичній транспортній мережі (OTN).

З одного боку, радіочастотні приймально-передавальні пристрої РЧ рухаються поступово до 60 ГГц (V-діапазон) і 70-80-90 ГГц (E-діапазони) та їх відповідно 7 ГГц і 10 ГГц доступного спектра для порівняння з 80 МГц в 802.11ac і максимум 20 МГц LTE-канали займали смугу пропускання в стільниковому просторі. Приймачі-передавачі міліметрової хвилі здійснюють сукупну зв’язок ємністю вище 1 Гбіт / с, зменшуючи тоді необхідну потребу в волокні до кожної радіоголовки на місцях вежі.

З іншого боку, оптичним портам Ethernet 100G потрібні оптоелектронні пристрої в оптичному модулі та телекомунікаційні картки, такі як підсилювачі Trans-Impedance (TIA) та драйвери модулятора Mach-Zehnder (MzMD). Ці пристрої повинні забезпечувати посилення та модуляцію смуги пропускання сигналу в 40 ГГц з ключовими обмеженнями лінійності як для короткострокових, так і для довгих досяжностей OTN.

З точки зору електричного випробування ці аналогові високошвидкісні пристрої зв’язку сильно відрізняються від своїх цифрових високошвидкісних послідовних пристроїв, а макроси SerDes 40 Гбіт / с, також включені в оптичний модуль CFPx, як показано на малюнку 3.

Малюнок 3. Блок-схема інтерфейсу CFP клієнта Ethernet на 100 ГБ до лінійної картки.

Аналогова висока швидкість – це інша тестова парадигмаЦифрові високошвидкісні послідовні пристрої отримують вигоду від інтеграції CMOS тестових функцій, таких як BIST та DFT, що дозволяють функціонально перевіряти в зворотній зв’язку, вбудовані функції моніторингу очей всередині того ж шматка кремнію. В якості тестової інженерної роботи це, в основному, цифрове макро- тестування «go / no go» із зворотними зв’язками на платі тестового навантаження або навіть на мікросхемі TX / RX. Під час характеристики мікросхеми автоматичне випробувальне обладнання (ATE) відповідає на необхідність конкретними цифровими параметрами тестування BER. Власне тест рівня вафель насправді не відрізняється від основного тестового потоку SoC і являє собою виключно тестування часової області (TD) на рівні пакету (на великій витяжній BGA). Цей підсумковий тест передбачає короткий час випробування, який допомагає паралелізм, запропонований основним ATE.

Це абсолютно інша парадигма з високошвидкісними аналоговими чіпами в оптичній мережі, що слугують аналоговим інтерфейсом клієнтського модуля CFP. Пристрої TIA мають 4 аналогові диференціальні канали / смуги зі швидкістю 25 Гбіт / с, а драйвери MzM 4 квадратурні канали, обидві на смузі пропускання 40 ГГц. Перший безпосередньо пов’язаний з фотодіодним детектором (один діод на Лямбду), а другий безпосередньо пов’язаний з оптичним модулятором, що все ще знаходиться в гібридній підкладці III-V. Малюнок 4 ілюструє інтерфейс оптичного модуля RX / TX на когерентному оптичному CFP на великі відстані.

Малюнок 4а. Оптичний передавач (TX) з мікросхемою драйвера MzM синього кольору.

Малюнок 4b. Оптичний приймач (RX) з мікросхемою драйвера MzM синього кольору.

Таким чином, інтеграція TIA та драйверів MzM вимагає ретельної збірки в багаточиповий модуль, зберігаючи при цьому стабільний коефіцієнт посилення смуги пропускання 40 ГГц, а також втрати вставки та повернення. Якщо кремнієві аналогові характеристики КМОП завжди покращуються, ці високошвидкісні аналогові пристрої виготовляються в основному в процесі III-V та BiCMOS, все ще 8-дюймові пластини. Дійсно, якщо виробничий процес RF-CMOS все ще може обіцяти прийнятний шум 1 / f, показник шуму (NF) та ще кращу якість пасивної лінії або лінії передачі на підкладці з HR, він не може підтримувати як важливий NF при 50 Ом на смузі пропускання 40 ГГц, так і забезпечувати FMIN та пов’язаний з ним достатній коефіцієнт посилення як функція струму низького зміщення порівняно з BICMOS SiGe та InP HBT.

Рисунок 5. Огляд автоматизованого RF WLT.

Отже, відомий хороший випробувальний тест на рівні вафельних фільтрів (WLT) є необхідним для підтримки продуктивності складного модуля, а отже, і віддачі модуля конвеєра.

Випробування напівпровідників використовується для проведення випробовувань рівня РЧ-пластин на підсилювачах потужностей, підсилювачах з низьким рівнем шуму, стільникових або трансиверах з підключенням нижче несучої частоти 6 ГГц, і що найважливіше, пропускна здатність вимірювань менше 250 МГц. Однак, перевищуючи цю частоту, дуже мало промислових АТЕ доступні у великих обсягах виробництва. Це також вірно, оскільки RF ATE означає високу пропускну здатність і низький час випробування у вузькосмугових однотональних скалярних вимірах. Однак тестування TIA для чотирьох каналів на 32 Гбіт / с вимагає вимірювання s-параметрів, а саме втрати коефіцієнта посилення та вихідної віддачі від 100 МГц до 40 ГГц, для обчислення транспіпедансу, але також групової затримки, а в деяких конкретних додатках – загального гармонійного спотворення ) для оцінки лінійності приладів. Окрім цього тестування в частотній області, параметричне випробування джерела живлення надзвичайно важливо для зменшення впливу вхідного шуму на вимірювання ВЧ.

Все в одному, це далеко не традиційна виробнича практика випробувань, і дуже близька до набору характеристик частотних випробувань, що використовують високоавтоматизовану стійку дискретних приладів. Дійсно, капітальні витрати ATE за одиницю не можна зменшити за допомогою паралельного тестування, а час тестування значно перевищує традиційний радіочастотний зв’язок або стільниковий пристрій. Це спостереження ставить питання про випробування радіочастотної міліметрової хвилі для підтримки такої об’ємної перевірки.

Короткий вступ до випробувальних випробувань MMW: тематичне дослідження з використанням квадратичного TIA 25 г

Завдання 1: традиційні 3 правила вимірювання. Кожне вимірювання, проведене у виробничому випробуванні рівня вафельних пластин, страждає від добре відомих систематичних, випадкових та дрейфуючих помилок. Щодо РЧ-частоти 40 ГГц WLT, систематичні похибки вимірювань при прямому та зворотному тестуванні нашого 25G 4-канального TIA мають багато спільного з механічною та електричною конструкцією тестової комірки. Серед іншого, помилки спрямованості та перехресних розмов через спеціальну настройку кабелів для зонда та витратних матеріалів GSG. Тоді невідповідність імпедансу джерела та навантаження, а також помилки відбиття та відстеження передачі можуть бути обмежені лише дуже ретельним калібруванням короткого відкритого навантаження (SOLT), і це при кожному вхідному лоті, щоб уникнути варіацій між партіями з часом.

Компонент випадкової помилки безпосередньо пов’язаний з можливістю управління дуже тривалим часом тестування та кількома дотиками протягом однієї пластини. У нашому випадку 25G 4-канального TIA пристрій може залишатися перевіреним протягом декількох хвилин при введенні температури в гарячій і холодній температурі. У цьому випадку самонагрівання пристрою під час зондування, а також два необхідні спади на матрицю для вимірювання s-параметра 4-х диференціальних каналів, безумовно, є першими недоброзичливцями. За ними слідує внутрішній тепловий шум VNA в часі. Компроміс завжди є можливим для пом’якшення випадкової помилки, наприклад, зменшення пропускної здатності ПЧ для підвищення точності або усереднення на різних розгортках, причому обидва рішення спричиняють більший час тестування.

Помилка дрейфу в нашому 40 ГГц WLT головним чином залежить від суворого процесу калібрування та механічної стабільності, терморегулятора при – / + 5 ° C тестової комірки.

Завдання 2: Ключове ретельне зондування та контроль за подорожами. Як уже пояснювалося, на протязі всього тестування пристрою необхідні два дотики з датчиками RF GSG та DC. Це в основному вимагає ретельного контролю контактного опору по ходу випробування, а також між вставками, щоб уникнути зміщення у ВЧ вимірах. Крім того, накладки зонду постійного струму зондуються двічі, що підвищує вплив форми скрабу матриці або позначки наконечника удару на вихід склеювання, але також впливає на вхідний шум, що вводиться між вставками, отже, канал TIA для кореляції продуктивності каналу та узгодження.

Такий підхід з двома вставками за штампи можна пом’якшити, виконавши один приземлення на 4 каналі. Якщо капітальні витрати, що збільшуються за рахунок додавання обладнання, можуть бути обговорені, зондування повинно було б перейти від клинових зондів до мембранних зондових карт, добре відомих своїми характеристиками радіочастот, щоб поліпшити ізоляцію та затори зонда. Однак міжканальна перехресна розмова при одночасному пошуку 4 входів є досить складною проблемою для вирішення і викликає дуже важкі повторювані тести.

ВисновокУ двох словах, аналогові високошвидкісні пристрої зв’язку далеко не вписуються в стандартний об’ємний процес випробувань виробництва з добре налагодженим набором найкращих відомих практик. Однак об’єм оптичних портів 100G зростає у маршрутизаторах та транспортерах агрегації на великі відстані та метро. Цей сплеск, швидше за все, не зменшиться з бурхливим зростанням Інтернету речей, і в рамках ланцюжка поставок випробування виробництва напівпровідників повинні подолати розрив між тим, що вважалося базовою характеристикою, і тим, який обсяг випробувань виробництва гідний вимог за відповідних витрат. З цим завданням Presto Engineering взялася, ставши лідером у виробництві приладів оптичної комунікаційної електроніки для ринку Ethernet 40G / 100GB. Це вимагало ретельної кривої навчання та розробки спеціальних методів, і тепер це цілком стабільна виробнича операція, готова підтримати швидке зростання напередодні ратифікації 400G Ethernet та кремнієвого фотонного розгортання.

Спочатку ця публікація була опублікована за адресою https://www.linkedin.com/pulse/testing-analog-high-speed-circuit-optical-networking-cedric-mayor/.

Cedric Mayor люб’язно дозволив нам перекласти і опублікувати цю статтю.