CodingBox 說明文件

模組如何生產與測試

光模組的規格書承諾在 70 °C 下工作二十年,波長偏差不超過一納米,DDM Tx 讀數與真實值相差不超過 2 dB。能否做到,取決於買家從未見過的工廠流程:晶片篩選、亞微米級對準、在測試台上完成的校準、老化,以及最後在台架上寫入你所讀取身份資訊的編碼步驟。了解這個流程,就能明白優質模組為甚麼是這個價格、廉價模組為甚麼在溫度極限下會失效,以及「校準常數」和「編碼」在物理上究竟意味著甚麼。

從晶圓到模組

激光器 / PD 晶圆 ──► 芯片测试与筛选 ──► TOSA / ROSA 组装 ──► OSA 测试
                                                                    │
PCB 组装(SMT:驱动器、TIA、MCU、DSP、EEPROM) ──► 板级测试 ──────────────┤
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                    模块组装 ──► 校准与调谐 ──► 老化 ──► 终测 ──► 编码与标签 ──► QA 抽检 ──► 出货

晶片

步驟發生了甚麼為甚麼重要
晶圓生長基於 InP 的激光器和 PD(1310/1550 nm)通過 MOCVD 生長;GaAs VCSEL;用於 SiPh 的 Si/Ge 光電二極管材料決定波長和速度——激光器
晶片探針測試LIV 曲線(光功率-電流-電壓):閾值、斜率效率、串聯電阻;光譜:中心波長、邊模抑制比(SMSR)不合格的裸片會被剔除;LIV 數據是 APC 目標值的基礎
晶片老化激光器在高溫高電流下老化(例如在 85 °C 下持續數十至數百小時),以剔除早期失效品偏置電流漂移超過百分之幾的激光器會被淘汰
分級按波長(用於 CWDM/LAN-WDM 信道)和功率對裸片分類這就是為甚麼某些信道的晶片比較稀缺

光學子組件

先將裸片貼裝到基座上、完成引線鍵合,然後是決定價格的關鍵步驟:有源對準—— 在激光器通電的狀態下,以亞微米級的步進移動透鏡和/或光纖尾纖,使耦合功率最大化,再用激光焊接或 UV 環氧樹脂固定。氣密封裝會進行封帽焊接和檢漏;成品 OSA 會測量發射功率、消光比、眼圖形狀,接收端還會測量響應度和靈敏度(光學封裝)。COB 方案則以在模壓透鏡陣列下貼裝裸片取代這一步驟(板上晶片封裝)。

校準與調諧

在配備溫箱、光功率計、誤碼率測試儀和參考接收器的測試台上,固件被「教會」如何解讀自己的原始讀數:

校準項流程儲存位置
Tx 功率監測用功率計在多個設定值下測量實際發射功率;將監測 PD 的讀數映射為 dBm內部校準:固件表;外部校準:A2h Tx_PWR 斜率/偏移量
APC 目標值調整偏置電流,直到 25 °C 下的發射功率達到指定值;保存該目標值固件
調制電流 / DSP 設定隨溫度變化在低溫、常溫和高溫下優化眼圖和消光比(「三溫」測試);寫入查找表固件
Rx 功率監測在模組工作波長下,以多個功率等級注入已標定的光;將光電流映射為 dBm內部:固件;外部:A2h Rx_PWR(4..0) 多項式
溫度傳感器相對溫箱參考值校準斜率/偏移量
Vcc、偏置 ADC相對精密基準源校準斜率/偏移量
閾值按設計寫入警報/警告限值A2h 0–39 / QSFP 頁面 03h / CMIS 頁面 02h
波長(DWDM、LR4)微調 TEC 設定點直到信道對準網格;校準鎖定器固件

DDM ±2–3 dB 的精度正是由此而來——也解釋了為甚麼只在常溫下校準過的模組,在 65 °C 時讀數會不準(精度與局限校準)。

模組必須通過的測試

測試測量內容標準 / 指標
眼圖與模板對比(NRZ)上升/下降時間、抖動、過衝、消光比對應 PMD 的 IEEE 802.3 / FC 模板
TDECQ(PAM4)經參考均衡器後的眼圖閉合量IEEE 802.3 Clause 121+
OMA 與平均功率規範窗口內的發射功率PMD 表
消光比「1」電平與「0」電平之比≥ 3.5–9 dB,取決於 PMD
波長、SMSR、譜寬中心 λ 落在信道內;單模純度光譜分析儀
RIN、啁啾激光器噪聲和波長抖動長距 PMD
靈敏度 / 應力靈敏度用衰減器測量 BER 相對輸入功率的關係,採用最差情況波形誤碼率測試儀(BERT),目標為 10⁻¹² 或 FEC 前誤碼率
色散代價在最大光纖長度或色散仿真器條件下的 BER長距 PMD
三溫功能測試在 −5/25/70 °C(或額定範圍)下重複以上所有測試區分真正合格的模組與僅在常溫下達標的模組
功耗、浪湧電流相對功率等級SFF-8431 / QSFP-DD 硬件規範
雙線介面與 DDM 檢查記憶體映射可讀,數值合理,旗標位工作正常SFF-8472 / SFF-8636 / CMIS
機械性能插入力、鎖扣、籠子 EMI、連接器耐久性SFF 硬件規範

針對設計(而非每一件產品)的鑑定測試遵循 Telcordia GR-468-CORE 標準:溫度循環、濕熱、機械衝擊和振動,並對樣品進行加速老化,以推算規格書中給出的壽命。

老化與篩選

成品模組在高溫下帶業務負載運行數小時到數天;DDM 數據被記錄下來;偏置電流、功率或誤碼出現漂移的單元會被剔除。這一步成本高昂,也是低成本廠商最先省略的環節——這就是為甚麼廉價光模組的現場故障統計在頭一年看起來還不錯,隨後卻會突然上升(故障)。

編碼:最後一步

直到這一步才會寫入身份資訊:廠商名稱、部件號、序號、日期代碼、合規代碼、長度、波長、選項、校驗和——可能是製造商自己的品牌,也可能是這批產品所代工的客戶品牌。代工廠生產同一款物理模組,卻可以編碼成多個品牌;OEM 品牌模組會在廠商區寫入相應廠商的簽名資訊。這與 CodingBox 在台架上執行的操作完全相同(EEPROM 重新編碼廠商欄位)——只不過工廠在做這件事時,校準數據早已就緒。

等級差異何在

做法高標準廠商低成本廠商
晶片篩選與老化有時
有源對準品質±0.5 µm,激光焊接環氧樹脂固定,公差更寬
校準三個溫度點,逐模組校準僅常溫,或按批次校準
DDM Tx實測值有時是常數(DDM 數值
隔離器1310/1550 上有有時省略
模組老化很少
在額定溫度範圍內測試通常沒有
可追溯性與序號關聯的測試記錄

這些差異在識別位元組中都看不出來;只會體現在 DDM 隨溫度變化的行為,以及一年後的故障率上。

在 CodingBox 中

台架上的來料檢驗重複了工廠終測中的一小部分:讀取身份資訊和校驗和,對照 典型值驗證 DDM 數值是否為實時且合理的讀數,並在 code database 中記錄基線。如果一批產品中各單元的 Tx 功率或偏置電流完全相同,或溫度讀數從不變化,就說明它並沒有真正通過其聲稱已經通過的工廠環節。


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