线性可插拔光学器件的技术原理和核心优势

在数字经济与 AI 技术飞速发展的今天，数据中心作为算力枢纽正面临着高性能与低功耗的双重诉求。传统光互联方案虽支撑了数据中心的规模化发展，但在功耗、成本与延迟方面的瓶颈日益凸显。在此背景下，线性可插拔光学器件（Linear Pluggable Optics , LPO）凭借其创新性设计，成为破解数据中心能效困境的关键技术。

本文将从技术原理、核心优势、挑战应对及验证方案等维度，全面解析 LPO 技术的革新价值。

LPO并非对传统可插拔收发器的颠覆，而是在继承其可插拔灵活性的基础上，通过架构精简实现的效能跃升。其最核心的技术特征是移除了传统收发器中负责信号再生的 DSP芯片。

传统收发器依赖 DSP 在发送端和接收端对信号进行重定时、均衡等复杂处理，相当于给信号传输加装了“全程护航的信号修复站”。这种设计虽能提升信号抗干扰能力，但也带来了额外的功耗、成本与延迟。LPO 则大胆简化链路，仅保留模拟驱动电路（Driver）和跨阻放大器（TIAK）等核心模拟组件，将信号处理的重任转移给主机端的交换机 ASIC，实现了“轻装上阵”的设计理念。

图 1 ：数据中心光互连架构示意

这种 “无 DSP” 架构并非技术倒退，而是基于数据中心短距互联场景（通常 0~2km）的精准优化。在这类场景中，信道损耗相对可控，主机端的先进均衡技术足以弥补信号传输中的失真，从而让 LPO 在牺牲部分复杂处理能力的同时，换取能效与成本的显著优势。

LPO重新定义光互联效能标准

功耗降低 50%

在 800G 速率下，LPO 模块的功耗较同速率的重定时模块降低 50% 以上，这一数字背后是数据中心能效的革命性提升。传统重定时模块的 DSP 芯片是主要功耗来源，其复杂的数字信号处理过程需要持续的电力输入。LPO 移除 DSP 后，功耗水平降至约 7pJ/bit，而全重定时模块通常为 17pJ/bit，半重定时模块约 12pJ/bit。

图2：全重定时、半重定时和LPO模块结构框图

对于拥有数十万台服务器的超大规模数据中心，这种功耗优势将转化为巨大的能源成本节约和碳减排效益。以一个部署 10 万台服务器的 AI 集群为例，仅光互联模块的年耗电量就可减少数百万度，相当于数千户家庭的年用电量，为“绿色算力”目标提供了坚实支撑。

模块类型

核心特点

功耗效率

适用场景

全重定时模块

收发两端均有重定时电路，信号处理能力强

~17pJ/bit

高信道损耗场景，对功耗不敏感的连接

半重定时模块

发射端有重定时电路，接收端无

~12pJ/bit

中等信道损耗，功耗需求适中的场景

LPO 模块

无重定时电路，仅保留模拟驱动和 TIA

~7pJ/bit

短中距离互联，对功耗和延迟敏感的场景（如数据中心内部）

成本降低 10%

LPO 模块的成本较再定时模块低 10%，这一成本优势源于硬件的简化 —— 移除高成本的 DSP 芯片后，模块的物料清单成本显著降低。在 AI 集群规模化扩张的背景下，这种成本优势将被放大：一个包含 1 万台服务器的集群，仅光模块采购成本就可节省数十万美元。

更重要的是，LPO 的低成本优势并未以牺牲兼容性为代价。它保持了传统可插拔收发器的外形规格（如 QSFP-DD、OSFP），可直接适配现有数据中心的机架与接口，企业无需为升级 LPO 而大规模改造基础设施，进一步降低了部署门槛。

延迟降低 10%

在 50 米光纤链路上，LPO 模块可将整体延迟减少 10%，这一提升对大型 AI 集群的效率至关重要。传统模块中，DSP 芯片的信号再生过程会引入额外的处理延迟，而 LPO 通过移除 DSP，实现了“信号直达”的传输路径。

对于依赖分布式训练的 AI 大模型而言，节点间的通信延迟直接影响训练效率。延迟每降低 10%，意味着集群的同步速度提升、训练周期缩短。例如，一个需要数周训练的千亿参数模型，可能因 LPO 的延迟优化而节省数天时间，显著提升研发效率。这种“隐形加速”能力，让 LPO 成为 AI 基础设施的关键赋能技术。

移除 DSP 带来的技术考验

移除 DSP 芯片虽带来显著优势，但也给 LPO 的实际应用带来了新的挑战，这些挑战主要体现在性能要求与互操作性两个维度。

性能挑战：

对主机信号完整性的极致要求

没有了 DSP 芯片的 “信号修复” 能力，LPO 模块对主机收发器的信号完整性提出了更高要求。在发送端，主机需要直接驱动光调制器或激光器（例如 VCSEL、EML），输出信号质量必须足够好，以抵御传输过程中的损耗与噪声；在接收端，LPO 模块需直接接收经过长距离传输后可能已高度失真、嘈杂的信号，这对主机端的均衡技术（如 FIR 滤波器、CTLE）是极大考验。

具体而言，主机通道的损耗特性、噪声水平、串扰控制都会直接影响 LPO 的传输性能。除此以外，单模和多模LPO模块的信号以及光纤信道特性也各不相同，需要主机端具备自适应的均衡能力，才能确保 LPO 模块在不同场景下均能稳定工作。

图3：LPO模块和重定时模块的接口规范适配

互操作性挑战：

标准化与测试的重要性

DSP 芯片在传统模块中扮演着 “守门人” 的角色，其强大的信号处理能力可一定程度上掩盖不同厂商设备间的兼容性差异。而 LPO 移除 DSP 后，主机与模块、模块与模块之间的互操作性问题变得更为突出 —— 任何一方的信号特性偏离标准，都可能导致通信失败。

这一挑战倒逼行业加速标准化进程，并建立严格的测试验证体系。不同供应商的主机（如交换机 ASIC）和 LPO 模块必须遵循统一的接口规范和性能指标，才能实现 “即插即用” 的无缝集成。因此，新的测试流程、验证方法和参数要求（如 EECQ、CEEQ）成为 LPO 生态成熟的关键支撑。

标准与生态的共同推进

LPO 技术的成熟离不开行业标准的支撑，就像 “交通系统” 需要统一的 “交通规则”。目前，LPO 的标准体系正在快速完善：

OIF-CEI-112G-LINEAR标准：

已正式定稿，为 112G 速率的 LPO 产品提供了统一规范，就像 “基础交通法” 的出台，明确了核心技术要求。

LPO MSA（多源协议）：

1.0 版本于2025年3月发布，进一步统一了接口规范，确保不同厂商的 LPO 模块和主机可以互联互通，就像统一 “充电接口标准”，让不同品牌设备兼容。

下一代标准演进：

OIF-CEI 224G 线性标准已进入提案阶段，未来 LPO 将支持更高带宽，就像“从双向两车道升级为双向四车道”，满足更大的数据流量需求。

面对 LPO 的技术挑战，是德科技通过深度参与标准化活动，结合自身在高速信号测试领域的技术积累，方案不仅能覆盖 OIF-CEI-112G-LINEAR 标准的全部测试要求，还支持 LPO MSA 规范的前瞻性验证。通过 “信号生成 - 传输 - 测量 - 分析” 的全流程自动化测试，大幅提升了测试效率，帮助厂商快速验证产品兼容性。

是德科技 LPO 测试 “工具箱”：从设备到方案

为了应对 LPO 测试的复杂性，Keysight 推出了全套测试解决方案，涵盖硬件设备和软件工具。

核心测试设备

高性能示波器

如 N1092x 系列（集成 64GBd光CDR）和 N1000A+N1060A（85GHz 电带宽，集成64GBd电CDR），可捕捉高速信号的细节，测量光眼图TDECQ、OER、OOMA，以及电眼图VMA、EECQ、Ceeq 等指标。

误码率测试仪（BERT）

M8050A 是 “接收机压力容限测试专家”，集成了抖动和噪声注入、码间干扰调节、非线性失真调节等功能，能生成带噪声、失真的压信号，精准测量接收机误码率极限性能。

光参考发射机

N7718C 用于模拟稳定的光信号源，可以产生高达120GBd以上符号率的NRZ、PAM4、PAM6、PAM8等格式的光信号，辅助模块输入测试。

软件工具

FlexDCA（N1010A）是 “数据分析大脑”，支持 EECQ 等新型指标的计算，还能自动优化均衡器参数，提高测试效率。

是德科技通过 “硬件设备 + 软件算法” 协同，为 LPO 接口的设计、生产、验证提供了完整的测试闭环，解决了 LPO 高速通信场景下的信号质量验证难题，覆盖从电信号处理到光信号传输的全链路测试，保障高速光通信系统的稳定运行，帮助企业实现：

?确保 LPO 模块符合 IEEE 802.3bs/cd、OIF-CEI-112G-LINEAR 等行业标准；

?提前发现信号衰减、抖动、误码等问题，加速产品研发与兼容性验证；

?支撑 100G/400G/800G 等高速光模块的测试需求，适配智算数据中心、5G 基站等场景。

图4：是德科技LPO接口验证与测试解决方案示意

是德科技的 LPO 模块验证方案核心配置包括：

M8050A 误码率测试仪（BERT）：

作为“信号源”，可模拟支持 LPO 的主机发射机，生成符合标准的 PRBS 图案信号（如 PRBS13Q、PRBS31Q），并能施加可控的压力信号（如幅度调整、抖动注入），精准模拟不同质量的主机输出信号。

N7718C 光参考发射机：

与 M8050A 配合生成光压力信号，该信号可模拟真实光纤链路中的损耗、抖动和噪声特性，注入到 LPO 模块中以测试其接收性能。

采样示波器（如N1000A+N1060A、N1092x）：

作为参考接收机，用于捕获 LPO 模块的电和光输出信号，精准测量 LPO 特有的关键指标，包括 EECQ（PAM4电眼图闭合）、VMA（电压调制幅度）、Ceeq（均衡器电噪声增益）等，评估信号质量。

支持 LPO 的误码检测仪（如 M8050A 集成M8043A模块）：

连接 LPO 模块的输出端，实时测量误码率（BER）和 FEC 统计数据（如 FLR、误码分布统计），验证模块在不同信号压力条件下的接收可靠性。

ISI 测试板：

通过模拟短、中、长距离的主机通道特性（如损耗、反射），帮助验证 LPO 模块在不同传输距离下的适应能力，确保模块在多样化场景中均可稳定工作。

值得注意的是，方案中的大部分设备（如 M8050A、N1000A）均支持 200G 速率测试，不仅能满足当前 112G LPO 的验证需求，还可无缝扩展至下一代 224G LPO 模块的设计与验证，帮助企业提前布局更高带宽的技术演进。

关于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）启迪并赋能创新者，助力他们将改变世界的技术带入生活。作为一家标准普尔 500 指数公司，我们提供先进的设计、仿真和测试解决方案，旨在帮助工程师在整个产品生命周期中更快地完成开发和部署，同时控制好风险。我们的客户遍及全球通信、工业自动化、航空航天与国防、汽车、半导体和通用电子等市场。我们与客户携手，加速创新，创造一个安全互联的世界。