100/400 Gbit/s PAM4光收發(fā)模塊的技術(shù)分析

金 琦，胡 毅

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205）

光電器件研究與應(yīng)用

100/400 Gbit/s PAM4光收發(fā)模塊的技術(shù)分析

金 琦1，2，胡 毅2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205）

PAM4（四階脈沖幅度調(diào)制）為100/400Gbit/s以太網(wǎng)提供了一種有效可行的解決方案。介紹了400Gbit/s以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和兩種400Gbit/s光模塊的封裝形式，闡述了PAM4光收發(fā)模塊的基本原理和結(jié)構(gòu)框圖，通過(guò)分析不同速率的技術(shù)方案和參數(shù)，表明28GBaud PAM4是實(shí)現(xiàn)400Gbit/s以太網(wǎng)傳輸較好的方案；綜述了模塊設(shè)計(jì)所需的器件、芯片、測(cè)試儀器和測(cè)試方案的現(xiàn)有技術(shù)水平，為100/400Gbit/s PAM4光收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供參考。

100/400Gbit/s以太網(wǎng)；四階脈沖幅度調(diào)制；光收發(fā)模塊

0 引 言

在100Gbit/s的短距離互聯(lián)光模塊中，普遍采用NRZ（非歸零）碼的傳輸格式。為了提升高速互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)容量并降低每比特傳輸成本，可以通過(guò)引入PAM4（四階脈沖幅度調(diào)制）技術(shù)來(lái)提高傳輸速率，以滿足不斷增加的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。單波長(zhǎng)28和56GBaud的PAM4技術(shù)為100/400Gbit/s光傳輸提供了可行的解決方案。

在相同的波特率下，PAM4碼型信號(hào)的傳輸速率是NRZ碼的兩倍，能攜帶更多的信息，并且具有更高的傳輸效率。從NRZ碼到PAM4的技術(shù)轉(zhuǎn)變給光模塊的設(shè)計(jì)、測(cè)量和測(cè)試工作帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，對(duì)光傳輸技術(shù)和器件提出了新的要求。本文主要對(duì)100/400Gbit/s PAM4光收發(fā)模塊的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行歸納，包括對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)方案、器件芯片和測(cè)試儀器等進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 標(biāo)準(zhǔn)介紹

隨著100Gbit/s技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)日趨完善，ITU-T（國(guó)際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門）、IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）和OIF（光互聯(lián)論壇）等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)400Gbit/s高速傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化工作正在進(jìn)行［1］。IEEE P802.3bs 400GE工作組從調(diào)制碼型、應(yīng)用場(chǎng)景、光纖類別、光電接口和性能指標(biāo)等多方面考慮，已選用PAM4作為400Gbit/s以太網(wǎng)的0.5、2和10km傳輸距離的技術(shù)方案，如表1所示［2］。

表1　400Gbit/s短距離互聯(lián)光模塊技術(shù)方案

根據(jù)OIF的CEI-28G（28Gbit/s通用電氣接口）、CEI-56G電接口標(biāo)準(zhǔn)，光電接口可以選用25、28、50和56Gbit/s等不同的速率，可以將16× 25Gbit/s NRZ（CDAUI-16，400Gbit/s附加單元接口）、8×50Gbit/s PAM4（CDAUI-8）等接口用于芯片與芯片、芯片與模塊間互聯(lián)。400GBASE-SR16方案類似于802.3bm發(fā)布的100GBASE-SR4方案，將100GBASE-SR4方案中的4通道擴(kuò)展到16通道，用100GBASE-SR4中成熟的技術(shù)和25Gbit/s器件，可以降低器件成本，使400GBASESR16能快速應(yīng)用于市場(chǎng)。

針對(duì)400Gbit/s光模塊，已有的封裝形式包括CDFP（400G外形封裝可插拔）、CFP8，分別由CDFP MSA（多源協(xié)議）和CFP MSA提出，包括光模塊設(shè)計(jì)的速率、協(xié)議和傳輸距離等定義。CDFP形式由CDFP MSA提出，其定義了16×25Gbit/s熱插拔模塊的接口規(guī)范，可以與現(xiàn)有連接電纜、光纜以及光學(xué)模塊兼容。CFP8由CFP MSA提出，CFP MSA在100Gbit/s光模塊的設(shè)計(jì)中，提出了CFP、CFP2和CFP4的設(shè)計(jì)規(guī)范。CFP8的接口和硬件規(guī)范支持400Gbit/s可熱插拔光模塊，預(yù)計(jì)其尺寸與CFP2大小類似，支持表1中400Gbit/s短距離互聯(lián)光模塊的接口和技術(shù)方案。

2 PAM4技術(shù)方案

PAM4碼包含4個(gè)電平，可以看作兩個(gè)不同幅度NRZ碼的疊加，并包含有3個(gè)眼圖，多個(gè)幅度電平的變化給眼圖參數(shù)的測(cè)量增加了難度，電平的抖動(dòng)變大，對(duì)信噪比容限要求變高，需要通過(guò)預(yù)加重、較強(qiáng)的FEC（前向糾錯(cuò)）和EQ（均衡）補(bǔ)償技術(shù)來(lái)降低BER（誤碼率），從而提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

2.1PAM4光收發(fā)模塊的基本原理

PAM4光收發(fā)模塊可應(yīng)用于機(jī)框間、機(jī)房間和數(shù)據(jù)中心等高速短距離傳輸中，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　PAM4光收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)框圖

光發(fā)射單元包括PAM4編碼器、LD（激光器）、LD驅(qū)動(dòng)器、CDR（數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)）電路和控制電路。輸入的電信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼器和CDR電路進(jìn)行編碼和預(yù)處理后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器加載到LD上，將高速電信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速光信號(hào)輸出。光接收單元包括PAM4解碼器、光探測(cè)器、TIA（跨阻放大器）、CDR電路和控制電路。光接口單元將輸入的光信號(hào)通過(guò)PIN探測(cè)器進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換后，送入放大器和CDR電路對(duì)信號(hào)放大采樣恢復(fù)，解碼器對(duì)PAM4信號(hào)解碼后經(jīng)過(guò)電接口單元輸出。電接口單元支持NRZ碼和PAM4信號(hào)。光接口單元在距離≤500m時(shí)，可以采用MPO（多纖推拉）型光接口或帶狀光纖，在距離＞500m時(shí)，收發(fā)單元還需要MUX（波分復(fù)用器）和DEMUX（解復(fù)用器）。

2.256GBaud PAM4方案

56GBaud PAM4方案采用單模光纖傳輸單波長(zhǎng)112Gbit/s的信號(hào)，傳輸距離達(dá)到500m。PSM4傳輸56GBaud PAM4信號(hào)可實(shí)現(xiàn)400Gbit/s的傳輸速率。PAM4也為100Gbit/s以太網(wǎng)提供了一種有效的解決方案，100Gbit/s光模塊可以采用單波長(zhǎng)56GBaud PAM4方案的QSFP28（28G四通道小型化可熱插拔）或CFP4封裝實(shí)現(xiàn)，光/電轉(zhuǎn)換只需要1個(gè)激光器和1個(gè)探測(cè)器。400Gbit/s PSM4方案借用PSM4MSA發(fā)布的100Gbit/s PSM4規(guī)范，將用于100Gbit/s互聯(lián)的低成本可升級(jí)解決方案擴(kuò)展至400Gbit/s傳輸。其結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。400Gbit/s PSM4的主要參考值包括傳輸距離為500m，波特率為53.125±100ppm GBaud、波長(zhǎng)范圍1 304.5～1 317.5nm、糾錯(cuò)前BER小于2e-4、OMA（光調(diào)制幅度）為0～4.2dBm、平均通道發(fā)射光功率為-2.1～4dBm、接收靈敏度小于-9.25dBm等。

圖2　4×56GBaud PAM4結(jié)構(gòu)框圖

56GBaud PAM4光收發(fā)模塊設(shè)計(jì)要求器件和芯片帶寬支持56GBaud PAM4，MultiPhy公司使用其設(shè)計(jì)的FlexPhy 56GBaud芯片配置，采用MLSE（最大似然序列估計(jì)）算法，提出了56GBaudPAM4+MLSE的方案，可以使用28Gbit/s的TOSA/ROSA完成56GBaud PAM4的傳輸。MLSE算法允許用25Gbit/s級(jí)別的光電子器件傳輸56GBaud信號(hào)，可以共享現(xiàn)有器件的產(chǎn)業(yè)鏈，經(jīng)濟(jì)有效地解決了單波長(zhǎng)100Gbit/s成本過(guò)高的問(wèn)題。在傳輸400Gbit/s信號(hào)時(shí)采用4×56GBaud PAM4+MLSE的方案，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　4×56GBaud PAM4+MLSE結(jié)構(gòu)框圖

2.328GBaud PAM4方案

28GBaud PAM4方案采用波分復(fù)用的方式在一條單模光纖上傳輸56Gbit/s的光信號(hào)，傳輸距離達(dá)2～10km。兩個(gè)不同波長(zhǎng)的28GBaud PAM4信號(hào)波分復(fù)用后可傳輸100Gbit/s的光信號(hào)，8個(gè)不同波長(zhǎng)的28GBaud PAM4信號(hào)復(fù)用后可傳輸400Gbit/s的光信號(hào)，8×28GBaud PAM4的傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示［4］。400GBASE-FR8的參考參數(shù)包括傳輸距離2km，波特率26.6Gbaud、波長(zhǎng)范圍1 273.55～1 309.14nm、糾錯(cuò)前BER小于2e-4、OMA 0～5.5dBm、EXT（消光比）最小值4.5，接收靈敏度小于-10.0dBm等等。

圖4　8×28GBaud PAM4結(jié)構(gòu)框圖

28GBaud PAM4采用較為成熟的25Gbit/s的器件，每個(gè)波長(zhǎng)50Gbit/s的傳輸容量可解決400Gbit/s的傳輸，是現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)400Gbit/s較好的選擇。與56GBaud PAM4類似，同樣可以采用MLSE算法的FlexPhy56G芯片技術(shù)方案。

3 PAM4器件和芯片

隨著100Gbit/s光通信技術(shù)的成熟，25Gbit/s NRZ的TOSA/ROSA、TIA和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）等器件和芯片廣泛應(yīng)用于100Gbit/s光模塊中。PAM4與NRZ相比，所需器件和芯片數(shù)量減小，功耗降低，封裝尺寸減少，在成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。因而得到光學(xué)芯片供應(yīng)商、收發(fā)器供應(yīng)商和系統(tǒng)供應(yīng)商等組成的產(chǎn)業(yè)鏈的支持。

PAM4對(duì)器件和芯片性能提出了更高的要求，可以通過(guò)引入預(yù)加重、FEC和均衡補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。28GBaud PAM4的器件和芯片因與現(xiàn)有的100Gbit/s光模塊使用的25Gbit/s器件速率相當(dāng)，能夠快速應(yīng)用于市場(chǎng)。Broadcom、Inphi和MultiPhy公司相繼推出了支持28GBaud PAM4用于40/50/100Gbit/s以太網(wǎng)物理層的芯片；NeoPhotonics展示了支持PAM4的采用EML及驅(qū)動(dòng)的QTOSA（4幅度光發(fā)射次模塊）和光探測(cè)器。56GBaud PAM4的器件和芯片還處在實(shí)驗(yàn)樣品階段，文獻(xiàn)［5］～［7］分別給出了56GBaud PAM4傳輸?shù)腄SP、EML和光放大器等器件和芯片的實(shí)驗(yàn)性能分析，描述了56GBaud PAM4器件和芯片的實(shí)現(xiàn)且滿足誤碼率小于2e-4的要求。

4 PAM4的測(cè)試

PAM4的測(cè)試系統(tǒng)包括PAM4信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射測(cè)試、接收測(cè)試和分析軟件等。使用的儀器包括支持PAM4信號(hào)的任意波形發(fā)生器、高性能誤碼測(cè)試儀、高性能示波器、預(yù)加重器和解碼器等。PAM4分析軟件需要對(duì)BER、眼圖的抖動(dòng)、噪聲、電平、線性度、頻譜和光功率等進(jìn)行分析測(cè)量。

在發(fā)射端，PAM4信號(hào)可以采用兩路相同速率不同幅度的NRZ信號(hào)同步疊加產(chǎn)生，通過(guò)示波器對(duì)PAM4信號(hào)的時(shí)鐘、眼圖和性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；在接收端，通過(guò)誤碼儀和示波器對(duì)PAM4信號(hào)的誤碼、眼圖和光功率等進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，為了提高BER性能，需要在發(fā)送端和接收端考慮PAM4信號(hào)的均衡、預(yù)加重和FEC問(wèn)題。目前，Keysight、Tektronix、LeCory等廠家可以提供PAM4的測(cè)試儀器和解決方案。表2給出了高性能示波器單個(gè)模塊的性能對(duì)比。

表2　高性能示波器性能對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

100/400Gbit/s PAM4光收發(fā)模塊的基本框架已經(jīng)確定，設(shè)計(jì)所需的芯片、器件和測(cè)試產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步完善。PAM4技術(shù)的引入減少了100/400Gbit/s光模塊所需的光通道和器件數(shù)量，從而降低了模塊成本，減小了封裝尺寸和功耗，結(jié)合FEC和均衡補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，可降低對(duì)器件性能的要求。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，100/400Gbit/s PAM4光收發(fā)模塊將會(huì)具有很好的應(yīng)用前景。

［1]趙文玉，張海懿.400Gbit/s技術(shù)及應(yīng)用探討［J］.現(xiàn)代電信科技，2014，（9）：64-68.

［2]AmbrosiaJ D.IEEE P 8 0 2.3bs Baseline Summary ［DB/OL］.（2015-7-18）［2015-10-21］.http：//www. ieee802.org/3/bs/baseline＿3bs＿0715.pdf.

［3]Brian W，Gary N，Keith C，et al.400G-PSM4：A Proposal for the 500mObjective using 100Gb/s per Lane Signaling［DB/OL］.（2015-07-15）［2015-10-21］.ht-tp：//www.ieee802.org/3/bs/public/15＿07/welch＿3bs ＿01a＿0715.pdf.

［4]Waikoloa，Chris C，Jeffery J M，et al.400Gb/s 8×50G PAM-4WDM 2km SMF PMD Baseline Specifications ［DB/OL］.（2015-07-13）［2015-10-21］.http：//www. ieee802.org/3/bs/public/15＿07/cole＿3bs＿01a＿0715. pdf.

［5]Chen Chen，Tang Xuefeng，Zhang Zhuhong，et al. Transmission of 56-Gb/s PAM-4over 26-km Single Mode Fiber Using Maximum Likelihood Sequence Estimation［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：IEEE，2015：TH4A.5.

［6]Kikuchi N，Hirai R，F(xiàn)ukui T，et al.Practical Implementation of 100-Gbit/s/Lambda Optical Short-Reach Transceiver with Nyquist PAM4Signaling using Electroabsorptive Modulated Laser（EML）［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：IEEE，2015：TH3A.2.

［7]Chan T K，Way W I.112Gb/s PAM4Transmission Over 40km SSMF Using 1.3μm Gain-Clamped Semiconductor Optical Amplifier［C］//OFC 2015.Los Angeles，US：IEEE，2015：TH3A.4.

Analysis of 100/400Gbit/s PAM4Optical Transceiver Module Technology

JIN Qi1，2，HU Yi2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications Wuhan 430074，China；2.Accelink Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430205，China）

PAM4format provides an effective solution for 100/400Gbit/s Ethernet.In this paper，the standard development of 400Gbit/s Ethernet and two form factors of 400Gbit/s optical modules are introduced.The basic principle and structure diagram of PAM4optical transceiver module are described and the technical scheme and parameters of different rate are analyzed. It shows that 28GBaud PAM4is a good solution to achieve 400GEthernet.Then the technical level of device，chip，test instrument and test solution is summarized，which provides a guidance for the design and implementation of PAM4optical transceiver module.

100/400GEthernet；PAM4；optical transceiver module

TN256

A

1005-8788（2016）02-0033-04

10.13756/j.gtxyj.2016.02.011

2015-10-21

金琦（1991-），男，湖北孝感人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚俟饽K的研究。