為了滿足快速增長的數(shù)據(jù)中心流量需求，靈活、低成本的400Gbit/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)應用的備選方案。為了支持400Gbit/s的速率傳輸，使用PAM調制的4通道x100Gbit/s傳輸方式可以降低收發(fā)機的設計復雜度和能量功耗。值得注意的是，相對于基于外部調制的馬赫-曾德調制器（MZM），使用電吸收光調制器（EML）、直接調制激光器（DML）的內調制方案成本較低，設計也更為簡單。但是對于這些方面有兩方面的瓶頸限制了系統(tǒng)的性能：光電設備的調制帶寬限制和調制、解調過程中的非線性損傷問題。許多數(shù)字信號處理（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算復雜度。

PAM4調制技術

由于400G技術的要求，需要應用單通道56G或112G速率要求，但是56G/112G信號的通道損耗和反射引入代價太大，同時對通道串擾的容忍性極大降低，目前的NRZ技術很難突破單路56G傳輸速率。因此業(yè)界引入了PAM4技術進行解決。

PAM4是PAM（Pulse Amplitude Modulation，脈沖幅度調制）調制技術的一種。調制方式包括基于DSP的數(shù)字DAC實現(xiàn)方法和基于模擬的Combine方法。主流的模擬方式可通過兩路NRZ信號進行相加操作，數(shù)字方式則是基于高速DAC的方式進行0/1/2/3電平的快速輸出。

如圖所示，PAM4通過四電平幅度調制，每個電平值可以承載2bit信息，代價是對噪聲更為敏感。如果我們觀察NRZ信號的眼圖，假設比特周期為T，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，信號帶寬越大。通常也會有信噪比（SNR）要求，這與信號幅度相關。從縱向看，眼圖張開的幅度越小，那么從接收端以固定的信噪比分辨出原始信號就更加困難。

PAM4原理示意圖

還有什么辦法可以成倍提高比特率呢？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28Gbit/s速率的周期內，現(xiàn)在速率達到56Gbit/s。從信號ML的眼圖可以看出，其幅度依然是A，但是周期變?yōu)門/2。如果將比特周期取倒數(shù)，得到信號帶寬2/T。A不變，即信噪比不變，但信號帶寬加倍。

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)勢所在。PAM4的眼圖不同尋常，從縱向看有3只張開的眼睛和4個幅度，符號周期為T。但是每個眼睛的張開幅度為A/3，相應的帶寬要求為1/T。這樣我們得到56Gbit/s信號，與28Gbit/s的單路信號M或L帶寬相同，但是信噪比與A/3相關，因此PAM4存在信噪比與信號帶寬的權衡。許多串行鏈路是帶寬受限的，因此很難通過縮短比特周期來提高28Gbit/s。但當有信噪比承受空間時，犧牲一部分信噪比代價換取速率成倍提高的PAM4方案會是很好的選擇。

DSP技術

400G AOC里面非常重要的一部分是對信號恢復電路的設計。過去信號恢復采用CDR（時鐘與數(shù)據(jù)恢復）電路。在電-光轉換接口，高速串行信號經過高損耗電路板導致信號質量嚴重下降，通過PAM4 CDR對信號進行恢復，從而得到低抖動的時鐘和數(shù)據(jù)。在電-光轉換接口，由于電光調制器的插入損耗以及光纖傳輸損耗等，光電探測器接收到的有損信號同樣需要CDR進行數(shù)據(jù)恢復。

基于PAM4調制的DSP方案

然而在性能上CDR對于整個電路的提升遠不及DSP。DSP就是高速數(shù)字處理芯片，除了提供CDR能提供的數(shù)字時鐘恢復功能之外，還可以對AOC產品進行色散補償操作，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。對于單波100G以上的應用來說，目前的發(fā)送端電驅動芯片與光器件都達不到50GHz以上的帶寬，因此在發(fā)送端相當于引入了低通濾波器，在時域上的表現(xiàn)就是碼間干擾。

以單波100G PAM4的應用為例，帶寬不足的調制器件會讓其信號的眼圖眼寬變得很小，基于過去模擬PLL的時鐘恢復無法找到最佳采樣點而使得接收機無法恢復出正確的信號。而引入DSP之后，可以在發(fā)送端直接對信號進行頻譜壓縮，而接收端在通過自適應的FIR濾波器對信號進行恢復，用這種方法可以把調制/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，降低對光器件帶寬的需求。

總的來說，相比于CDR電路，使用DSP方案的400G產品在功耗和成本上偏高，但是其處理信號的能力更加優(yōu)異，主要表現(xiàn)為電口適配能力強，光電性能好等。

小結

以上便是400G AOC產品的核心技術——PAM4和DSP技術。PAM4技術克服了56G速率下傳統(tǒng)NRZ調制的疲軟能力，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產品對噪聲更加敏感，DSP芯片的引入正好彌補了PAM4技術相應的劣勢。

當然PAM4技術的引入給400G產品的測試帶來了極大的挑戰(zhàn)（詳細內容可查看“如何對400G光模塊進行一致性測試？”），BER和TDECQ成了PAM4系統(tǒng)的關鍵參數(shù)。而另一個問題在于模塊與設備電口的對接需要設備端和模塊端共同調節(jié)，不同設備由于內部走線、連接器等環(huán)境不同，對應的調節(jié)參數(shù)也不同。所有的PAM4產品都處于大規(guī)模應用的前夕，基本上都會存在兼容性問題；而DSP方案由于其功耗和成本問題令工作者頗為躊躇。相信在研究人員的努力下，隨著新材料的應用，400G AOC產品將會有一個更適合的技術方案。

易飛揚400G AOC的電眼圖

憑借傳統(tǒng)優(yōu)勢的VCSEL工藝平臺，易飛揚（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上展出了基于PAM4調制的400G AOC樣品。若想了解更多關于易飛揚的光模塊產品，可訪問我們的官網(wǎng)：wzyml.cn