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在快速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)中心流量需求下，靈活、低成本的400 Gbit/s速率傳輸方案被相繼提出，并作為下一代數(shù)據(jù)中心互聯(lián)應(yīng)用的備選方案。 為了支持400 Gbit/s的速率傳輸，使用PAM調(diào)制的4通道x100Gbit/s傳輸方式可以降低收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和能量功耗。 值得注意的是，相對(duì)于基于外部調(diào)制的馬赫-曾德調(diào)制器(MZM), 使用電吸收光調(diào)制器(EML), 直接調(diào)制激光器(DML)的內(nèi)調(diào)制方案成本較低，設(shè)計(jì)也更為簡(jiǎn)單。 但是對(duì)于這些方面有兩方面的瓶頸限制了系統(tǒng)的性能：光電設(shè)備的調(diào)制帶寬限制和調(diào)制、解調(diào)過(guò)程中的非線性損傷問(wèn)題。許多數(shù)字信號(hào)處理(DSP)方法被提出用以解決這兩種限制，例如判決反饋均衡、非線性沃爾泰拉均衡等，這些方案在接收端都需要很高的計(jì)算復(fù)雜度。 PAM4調(diào)制技術(shù)由于400G技術(shù)的要求，需要應(yīng)用單通道56G或112G速率要求，但是56G/112G信號(hào)的通道損耗和反射引入代價(jià)太大，同時(shí)對(duì)通道串?dāng)_的容忍性極大降低，目前的NRZ技術(shù)很難突破單路56G傳輸速率。因此業(yè)界引入了PAM4技術(shù)進(jìn)行解決。 PAM4 PAM4是PAM (Pulse Amplitude Modulation, 脈沖幅度調(diào)制) 調(diào)制技術(shù)的一種。 調(diào)制方式包括基于DSP的數(shù)字DAC實(shí)現(xiàn)方法和基于模擬的Combine方法。主流的模擬方式可通過(guò)兩路NRZ信號(hào)進(jìn)行相加操作，數(shù)字方式則是基于高速DAC的方式進(jìn)行0/1/2/3電平的快速輸出。 如下圖所示, PAM4通過(guò)四電平幅度調(diào)制，每個(gè)電平值可以承載2bit信息，代價(jià)是對(duì)噪聲更為敏感。 ◮  AM4原理示意圖如果我們觀察NRZ信號(hào)的眼圖，假設(shè)比特周期為T(mén), 幅度為A, 那么信道帶寬為比特周期的倒數(shù)(1/T)。比特率越高，比特周期越小，信號(hào)帶寬越大。通常也會(huì)有信噪比(SNR)要求，這與信號(hào)幅度相關(guān)。從縱向看，眼圖張開(kāi)的幅度越小，那么從接收端以固定的信噪比分辨出原始信號(hào)就更加困難。 成倍提高比特率的辦法 其中一種方法是將兩路比特流串行化。 用一路56Gbit/s信道代替兩路28Gbit/s。于是在原來(lái)28Gbit/s速率的周期內(nèi)，現(xiàn)在速率達(dá)到56Gbit/s。 從信號(hào)ML的眼圖可以看出，其幅度依然是A, 但是周期變?yōu)門(mén)/2。如果將比特周期取倒數(shù)，得到信號(hào)帶寬2/T。A不變，即信噪比不變，但信號(hào)帶寬加倍。 我們需要一種在不增加帶寬的前提下成倍提高比特率的方案，這是PAM4的優(yōu)勢(shì)所在。 PAM4的眼圖不同尋常，從縱向看有3只張開(kāi)的眼睛和4個(gè)幅度，符號(hào)周期為T(mén)。但是每個(gè)眼睛的張開(kāi)幅度為A/3, 相應(yīng)的帶寬要求為1/T。 這樣我們得到56Gbit/s信號(hào)，與28Gbit/s的單路信號(hào)M或L帶寬相同，但是信噪比與A/3相關(guān)，因此PAM4存在信噪比與信號(hào)帶寬的權(quán)衡。 許多串行鏈路是帶寬受限的，因此很難通過(guò)縮短比特周期來(lái)提高28Gbit/s。但當(dāng)有信噪比承受空間時(shí)，犧牲一部分信噪比代價(jià)換取速率成倍提高的PAM4方案會(huì)是很好的選擇。 DSP技術(shù)400G AOC里面非常重要的一部分是對(duì)信號(hào)恢復(fù)電路的設(shè)計(jì)。過(guò)去信號(hào)恢復(fù)采用CDR（時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)）電路。 在電-光轉(zhuǎn)換接口，高速串行信號(hào)經(jīng)過(guò)高損耗電路板導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降，通過(guò)PAM4 CDR對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)，從而得到低抖動(dòng)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。 在電-光轉(zhuǎn)換接口，由于電光調(diào)制器的插入損耗以及光纖傳輸損耗等，光電探測(cè)器接收到的有損信號(hào)同樣需要CDR進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。 ◮基于PAM4調(diào)制的DSP方案 然而在性能上CDR對(duì)于整個(gè)電路的提升遠(yuǎn)不及DSP。DSP就是高速數(shù)字處理芯片，除了提供CDR能提供的數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)功能之外，還可以對(duì)AOC產(chǎn)品進(jìn)行色散補(bǔ)償操作，去除噪聲、非線性等干擾因素。 受限于光模塊的封裝體積, 400G AOC的平行路數(shù)不會(huì)很多，再加上電光器件帶寬局限，人們必須要提高單波速率。對(duì)于單波100G以上的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，目前的發(fā)送端電驅(qū)動(dòng)芯片與光器件都達(dá)不到50GHz以上的帶寬，因此在發(fā)送端相當(dāng)于引入了低通濾波器，在時(shí)域上的表現(xiàn)就是碼間干擾。 例：100G PAM4的應(yīng)用 以單波100G PAM4的應(yīng)用為例，帶寬不足的調(diào)制器件會(huì)讓其信號(hào)的眼圖眼寬變得很小，基于過(guò)去模擬PLL的時(shí)鐘恢復(fù)無(wú)法找到最佳采樣點(diǎn)而使得接收機(jī)無(wú)法恢復(fù)出正確的信號(hào)。 而引入DSP之后，可以在發(fā)送端直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜壓縮，而接收端在通過(guò)自適應(yīng)的FIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)，用這種方法可以把調(diào)制/接收器件中不可控的模擬帶寬影響變成已知的數(shù)字頻譜壓縮，降低對(duì)光器件帶寬的需求。 總的來(lái)說(shuō)，相比于CDR電路，使用DSP方案的400G產(chǎn)品在功耗和成本上偏高，但是其處理信號(hào)的能力更加優(yōu)異，主要表現(xiàn)為電口適配能力強(qiáng)，光電性能好等。 總結(jié)PAM4技術(shù)克服了56G速率下傳統(tǒng)NRZ調(diào)制的疲軟能力，在不增加帶寬的情況下將比特率速率翻倍；但是PAM4犧牲了信噪比，使得400G AOC產(chǎn)品對(duì)噪聲更加敏感，DSP芯片的引入正好彌補(bǔ)了PAM4技術(shù)相應(yīng)的劣勢(shì)。 當(dāng)然PAM4技術(shù)的引入給400G產(chǎn)品的測(cè)試帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn), BER和TDECQ成了PAM4系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。 而另一個(gè)問(wèn)題在于模塊與設(shè)備電口的對(duì)接需要設(shè)備端和模塊端共同調(diào)節(jié)，不同設(shè)備由于內(nèi)部走線、連接器等環(huán)境不同，對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)也不同。 所有的PAM4產(chǎn)品都處于大規(guī)模應(yīng)用的前夕，基本上都會(huì)存在兼容性問(wèn)題；而DSP方案由于其功耗和成本問(wèn)題令工作者頗為躊躇。相信在研究人員的努力下，隨著新材料的應(yīng)用，400G AOC產(chǎn)品將會(huì)有一個(gè)更適合的技術(shù)方案。 ◮易飛揚(yáng)400G AOC的電眼圖 憑借傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的VCSEL工藝平臺(tái)，易飛揚(yáng)(Gigalight)在AOC有源光纜的研發(fā)上一直走在行業(yè)前沿位置，并于去年深圳光博會(huì)上展出了基于PAM4調(diào)制的400G AOC樣品。若想了解更多關(guān)于易飛揚(yáng)的光模塊產(chǎn)品，可訪問(wèn)我們的官網(wǎng)：https://www.gigalight.com/cn/ |
