100/400 Gbit/s PAM4光收发模块的技术分析

金 琦，胡 毅

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205）

光电器件研究与应用

100/400 Gbit/s PAM4光收发模块的技术分析

金 琦1，2，胡 毅2

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205）

PAM4（四阶脉冲幅度调制）为100/400Gbit/s以太网提供了一种有效可行的解决方案。介绍了400Gbit/s以太网的技术标准进展和两种400Gbit/s光模块的封装形式，阐述了PAM4光收发模块的基本原理和结构框图，通过分析不同速率的技术方案和参数，表明28GBaud PAM4是实现400Gbit/s以太网传输较好的方案；综述了模块设计所需的器件、芯片、测试仪器和测试方案的现有技术水平，为100/400Gbit/s PAM4光收发模块的设计和实现提供参考。

100/400Gbit/s以太网；四阶脉冲幅度调制；光收发模块

0 引 言

在100Gbit/s的短距离互联光模块中，普遍采用NRZ（非归零）码的传输格式。为了提升高速互联的网络容量并降低每比特传输成本，可以通过引入PAM4（四阶脉冲幅度调制）技术来提高传输速率，以满足不断增加的网络带宽需求。单波长28和56GBaud的PAM4技术为100/400Gbit/s光传输提供了可行的解决方案。

在相同的波特率下，PAM4码型信号的传输速率是NRZ码的两倍，能携带更多的信息，并且具有更高的传输效率。从NRZ码到PAM4的技术转变给光模块的设计、测量和测试工作带来新的挑战，对光传输技术和器件提出了新的要求。本文主要对100/400Gbit/s PAM4光收发模块的现有技术进行归纳，包括对相关标准、技术方案、器件芯片和测试仪器等进行分析和总结。

1 标准介绍

随着100Gbit/s技术及标准日趋完善，ITU-T（国际电联电信标准化部门）、IEEE（电气和电子工程师协会）和OIF（光互联论坛）等国际标准化组织对400Gbit/s高速传输的标准化工作正在进行［1］。IEEE P802.3bs 400GE工作组从调制码型、应用场景、光纤类别、光电接口和性能指标等多方面考虑，已选用PAM4作为400Gbit/s以太网的0.5、2和10km传输距离的技术方案，如表1所示［2］。

表1　400Gbit/s短距离互联光模块技术方案

根据OIF的CEI-28G（28Gbit/s通用电气接口）、CEI-56G电接口标准，光电接口可以选用25、28、50和56Gbit/s等不同的速率，可以将16× 25Gbit/s NRZ（CDAUI-16，400Gbit/s附加单元接口）、8×50Gbit/s PAM4（CDAUI-8）等接口用于芯片与芯片、芯片与模块间互联。400GBASE-SR16方案类似于802.3bm发布的100GBASE-SR4方案，将100GBASE-SR4方案中的4通道扩展到16通道，用100GBASE-SR4中成熟的技术和25Gbit/s器件，可以降低器件成本，使400GBASESR16能快速应用于市场。

针对400Gbit/s光模块，已有的封装形式包括CDFP（400G外形封装可插拔）、CFP8，分别由CDFP MSA（多源协议）和CFP MSA提出，包括光模块设计的速率、协议和传输距离等定义。CDFP形式由CDFP MSA提出，其定义了16×25Gbit/s热插拔模块的接口规范，可以与现有连接电缆、光缆以及光学模块兼容。CFP8由CFP MSA提出，CFP MSA在100Gbit/s光模块的设计中，提出了CFP、CFP2和CFP4的设计规范。CFP8的接口和硬件规范支持400Gbit/s可热插拔光模块，预计其尺寸与CFP2大小类似，支持表1中400Gbit/s短距离互联光模块的接口和技术方案。

2 PAM4技术方案

PAM4码包含4个电平，可以看作两个不同幅度NRZ码的叠加，并包含有3个眼图，多个幅度电平的变化给眼图参数的测量增加了难度，电平的抖动变大，对信噪比容限要求变高，需要通过预加重、较强的FEC（前向纠错）和EQ（均衡）补偿技术来降低BER（误码率），从而提高信号传输的质量。

2.1PAM4光收发模块的基本原理

PAM4光收发模块可应用于机框间、机房间和数据中心等高速短距离传输中，其结构框图如图1所示。

图1　PAM4光收发模块结构框图

光发射单元包括PAM4编码器、LD（激光器）、LD驱动器、CDR（数据时钟恢复）电路和控制电路。输入的电信号经过编码器和CDR电路进行编码和预处理后，通过驱动器加载到LD上，将高速电信号转换成高速光信号输出。光接收单元包括PAM4解码器、光探测器、TIA（跨阻放大器）、CDR电路和控制电路。光接口单元将输入的光信号通过PIN探测器进行光/电转换后，送入放大器和CDR电路对信号放大采样恢复，解码器对PAM4信号解码后经过电接口单元输出。电接口单元支持NRZ码和PAM4信号。光接口单元在距离≤500m时，可以采用MPO（多纤推拉）型光接口或带状光纤，在距离＞500m时，收发单元还需要MUX（波分复用器）和DEMUX（解复用器）。

2.256GBaud PAM4方案

56GBaud PAM4方案采用单模光纤传输单波长112Gbit/s的信号，传输距离达到500m。PSM4传输56GBaud PAM4信号可实现400Gbit/s的传输速率。PAM4也为100Gbit/s以太网提供了一种有效的解决方案，100Gbit/s光模块可以采用单波长56GBaud PAM4方案的QSFP28（28G四通道小型化可热插拔）或CFP4封装实现，光/电转换只需要1个激光器和1个探测器。400Gbit/s PSM4方案借用PSM4MSA发布的100Gbit/s PSM4规范，将用于100Gbit/s互联的低成本可升级解决方案扩展至400Gbit/s传输。其结构如图2所示［3］。400Gbit/s PSM4的主要参考值包括传输距离为500m，波特率为53.125±100ppm GBaud、波长范围1 304.5～1 317.5nm、纠错前BER小于2e-4、OMA（光调制幅度）为0～4.2dBm、平均通道发射光功率为-2.1～4dBm、接收灵敏度小于-9.25dBm等。

图2　4×56GBaud PAM4结构框图

56GBaud PAM4光收发模块设计要求器件和芯片带宽支持56GBaud PAM4，MultiPhy公司使用其设计的FlexPhy 56GBaud芯片配置，采用MLSE（最大似然序列估计）算法，提出了56GBaudPAM4+MLSE的方案，可以使用28Gbit/s的TOSA/ROSA完成56GBaud PAM4的传输。MLSE算法允许用25Gbit/s级别的光电子器件传输56GBaud信号，可以共享现有器件的产业链，经济有效地解决了单波长100Gbit/s成本过高的问题。在传输400Gbit/s信号时采用4×56GBaud PAM4+MLSE的方案，其结构如图3所示。

图3　4×56GBaud PAM4+MLSE结构框图

2.328GBaud PAM4方案

28GBaud PAM4方案采用波分复用的方式在一条单模光纤上传输56Gbit/s的光信号，传输距离达2～10km。两个不同波长的28GBaud PAM4信号波分复用后可传输100Gbit/s的光信号，8个不同波长的28GBaud PAM4信号复用后可传输400Gbit/s的光信号，8×28GBaud PAM4的传输结构如图4所示［4］。400GBASE-FR8的参考参数包括传输距离2km，波特率26.6Gbaud、波长范围1 273.55～1 309.14nm、纠错前BER小于2e-4、OMA 0～5.5dBm、EXT（消光比）最小值4.5，接收灵敏度小于-10.0dBm等等。

图4　8×28GBaud PAM4结构框图

28GBaud PAM4采用较为成熟的25Gbit/s的器件，每个波长50Gbit/s的传输容量可解决400Gbit/s的传输，是现有技术实现400Gbit/s较好的选择。与56GBaud PAM4类似，同样可以采用MLSE算法的FlexPhy56G芯片技术方案。

3 PAM4器件和芯片

随着100Gbit/s光通信技术的成熟，25Gbit/s NRZ的TOSA/ROSA、TIA和DSP（数字信号处理器）等器件和芯片广泛应用于100Gbit/s光模块中。PAM4与NRZ相比，所需器件和芯片数量减小，功耗降低，封装尺寸减少，在成本方面具有明显优势。因而得到光学芯片供应商、收发器供应商和系统供应商等组成的产业链的支持。

PAM4对器件和芯片性能提出了更高的要求，可以通过引入预加重、FEC和均衡补偿等技术来实现。28GBaud PAM4的器件和芯片因与现有的100Gbit/s光模块使用的25Gbit/s器件速率相当，能够快速应用于市场。Broadcom、Inphi和MultiPhy公司相继推出了支持28GBaud PAM4用于40/50/100Gbit/s以太网物理层的芯片；NeoPhotonics展示了支持PAM4的采用EML及驱动的QTOSA（4幅度光发射次模块）和光探测器。56GBaud PAM4的器件和芯片还处在实验样品阶段，文献［5］～［7］分别给出了56GBaud PAM4传输的DSP、EML和光放大器等器件和芯片的实验性能分析，描述了56GBaud PAM4器件和芯片的实现且满足误码率小于2e-4的要求。

4 PAM4的测试

PAM4的测试系统包括PAM4信号的产生、发射测试、接收测试和分析软件等。使用的仪器包括支持PAM4信号的任意波形发生器、高性能误码测试仪、高性能示波器、预加重器和解码器等。PAM4分析软件需要对BER、眼图的抖动、噪声、电平、线性度、频谱和光功率等进行分析测量。

在发射端，PAM4信号可以采用两路相同速率不同幅度的NRZ信号同步叠加产生，通过示波器对PAM4信号的时钟、眼图和性能参数进行测量；在接收端，通过误码仪和示波器对PAM4信号的误码、眼图和光功率等进行测试。同时，为了提高BER性能，需要在发送端和接收端考虑PAM4信号的均衡、预加重和FEC问题。目前，Keysight、Tektronix、LeCory等厂家可以提供PAM4的测试仪器和解决方案。表2给出了高性能示波器单个模块的性能对比。

表2　高性能示波器性能对比

5 结束语

100/400Gbit/s PAM4光收发模块的基本框架已经确定，设计所需的芯片、器件和测试产业链正在逐步完善。PAM4技术的引入减少了100/400Gbit/s光模块所需的光通道和器件数量，从而降低了模块成本，减小了封装尺寸和功耗，结合FEC和均衡补偿等技术，可降低对器件性能的要求。随着相关技术的不断成熟，100/400Gbit/s PAM4光收发模块将会具有很好的应用前景。

［1]赵文玉，张海懿.400Gbit/s技术及应用探讨［J］.现代电信科技，2014，（9）：64-68.

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［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，Fukui 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。硕士研究生，主要研究方向为高速光模块的研究。