【原】基于PAM4调制的400G光模块

通信百科 2023-10-23 发布于陕西

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常见的400G收发器封装类型有两种，分别是OSFP和QSFP-DD。OSFP封装的光模块热性能好，可扩展至800G，但体积较大。QSFP-DD封装中的光模块更简单、兼容。对于400G光模块，OSFP/QSFP-DD与主机接口电信号为8x50G/PAM4，即均采用PAM4调制方式。本文将介绍PAM4调制方式及其在400G收发器中的应用。

光通信中的PAM4是什么？

PAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-Level）是目前光通信领域非常重要和基础的技术。在了解PAM4之前，有必要了解另一种更基础的信号调制技术：NRZ(Non-Return-to-Zero)，也叫PAM2(2-level)。NRZ是一种数字逻辑信号，它使用高低信号电平来表示传输的信息。对于单极性不归零码，“1”和“0”分别对应于正电平和零电平，或负电平和零电平。双极性非零码，其中“1”和“0”分别对应正电平和等效负电平。

术语“非零”并不是说没有“0”，而是信号不需要在传输完每一位数据后返回零电平（显然，NRZ相比RZ节省了带宽）。在光模块调制中，我们利用激光的功率来控制“0”和“1”。简单来说，就是当实际发射光功率大于某个阈值时，为“1”；如果小于某个阈值，则为“0”。

随着带宽需求的不断增加，我们需要想办法增加单位时间内传输的逻辑信息量，更先进的调制技术PAM4应运而生。

它使用4种不同的信号电平进行信号传输;
它可以将单个符号周期表示的逻辑信息从NRZ的 1 bit变为 2 bit。

例如25G EML芯片经过PAM4调制后，可制成单通道50G PAM4光模块。

为什么400G以太网采用PAM 4技术？

起初，IEEE协会在制定400GBASE-SR16等新一代200G/400G接口标准时并未考虑PAM4技术，而是采用NRZ技术通过16x25Gbps并行通道实现400G传输速率。但该方案需要大量的光纤，不经济可行，而且收发芯片的时间裕量、传输链路损耗和尺寸都不能满足400G以太网的需求。

因此，IEEE协会在制定802.3bs标准时，提出用PAM4代替NRZ。经过对PAM4信号的特性和参数测试的深入研究，该提案最终获得通过。随后，基于PAM4技术的400GBASE-LR8/400GBASE-FR8接口标准颁布，成为第一个400G接口标准。接口标准采用8x50Gbps PAM4技术实现400G传输。它不再像NRZ那样需要16x25G信道来实现400G传输。这样既可以节省光纤成本，又可以减少链路损耗。

PAM4在400G收发器中的应用

多模vs单模

PAM4是400G QSFP-DD光模块的主要调制方式，有多模和单模两种类型。基于PAM4调制的400G收发器电口侧采用8x50G PAM4调制，光口侧有8x50G PAM4和4x100G PAM4两种调制方式。

（1）多模400G收发器

常见的400G多模光模块为SR8和SR4.2接口，均采用8x50G PAM4调制。

400G SR8：“SR”表示使用多模光纤传输100m距离，“8”表示有8个光通道。当每个光通道使用 50G PAM4 运行时，总共需要 16 根光纤（8 TX 和 8 Rx）。400G SR8光模块可以使用MPO-16连接器或MPO-24连接器连接8对光纤；
400G SR4.2：“SR”是指使用多模光纤传输100m距离，“4”表示有4个光通道，而“2”表示每个光通道有2个波长。400G SR4.2模块采用MPO-12连接器，每个光通道使用2x50G PAM4，共需要8根光纤。波长是双向和多路复用的。SR4.2的主要优点是可以继续使用现有的光纤资源。

（2）单模400G收发器

单模400G光模块可分为两类。一类光口侧采用8x50G PAM4调制，另一类用4x100G PAM4调制。这两种方法都使用DSP作为CDR（没有建立模拟CDR）或Gearbox和CDR的组合。区别在于线路侧的信号传输速率和使用的激光器数量。

基于8×50G PAM4的单模400G收发器

这种调制方式下常见的400G光模块有3种：FR8、LR8、2xFR4。

400G FR8 和400G LR8是最早可用的400G单模接口。“8”表示使用8个波长，每个波长使用50G PAM4。“FR”表示2km传输，“LR”表示10km传输。将8个波长复用到一根光纤中，FR8和LR8光模块采用双工LC光接口；
2xFR4 400G光模块使用8个激光器，但分为两组4个波长（根据200G FR4标准），两组分别复用到光纤中，光模块在两个CS连接器上提供2x200G信号。

但是，使用8x50G解决方案时需要权衡取舍。一方面，它们在某些情况下提供了改进的链路预算，但另一方面，每个模块的总激光器成本更高，光学封装更复杂，导致产量更低，生产成本更高。相比之下，4x100G模块的功耗更低，热处理能力更简单。因此，4x100G方案将更受欢迎。

基于4×100G PAM4的单模400G收发器

4x100G光模块是当前市场的焦点。他们的线路侧使用100G PAM4的四个通道。在这里，我们可以将这些光模块分为“多纤”和“双纤”。这些光模块的关键部件是具有Gearbox功能的DSP，包括DR4、FR4和LR4。

400G DR4：在400G DR4光模块中，DSP将8x50G PAM4电信号转换成4x100G PAM4，然后传输给光引擎。同时DSP作为CDR，每个通道的工作波长为1310nm，每个通道需要一根光纤，所以总共需要8根光纤；
400G FR4和LR4：DSP的基本功能在FR4和LR4光模块中与DR4相同，但现在使用四个波长（CWDM4）代替四个1310nm信号，并增加了一个多路复用器来组合这些CWDM信号。这样FR4/LR4所需的光纤数量减少到2根（TX+Rx），采用双工LC光口。