基于PAM4的技术：满足增加带宽连接的需求

随着我们社会对数据的渴望的增加，对带宽的需求也在不断增加。由于社交网络服务，大数据和人工智能（AI），5G，机器学习，联网汽车和无人驾驶自动驾驶汽车等新技术的出现，网络容量每年以超过50％的速度增长。所有这些趋势不仅推动了对更多数据的需求，而且还需要更快地交付更多数据。

作为响应，工业界已经采取了主动行动，为新的电气和光接口基于四级脉冲幅度调制（PAM4）信号，开发了一个针对200 Gigabit Ethernet（GbE）和400 GbE的标准，分别称为IEEE 802.3bs和802.3cn规格。以前，用于100 GbE的每通道技术使用25 Gbps不归零（NRZ）信令。NRZ是一种调制技术，具有两个表示逻辑0和逻辑1的电压电平。

 基于PAM4的电接口

PAM4简单，省电且相对便宜，是一种围绕四个脉冲幅度电平构建的调制方案，以提高容量。PAM4具有明显的优势，已迅速成为当今行业用于数据中心连接的更可行的解决方案。其主要缺点是，如果PAM4落入1550 nm窗口内的常规C波段波长（远离零色散波长）内，则其光链路上要求有光学色散补偿系统才能达到约5公里（km）以上的距离。如果使用传统的单模光纤（SMF）在1310 nm窗口（接近零色散区域）内的O波段波长进行操作，则该距离转换为40 km以上。

当操作密集波分复用（DWDM）系统时，PAM4需要进行光放大，当在ITU网格波长为1550 nm附近工作时，对于距离最远为5 km（或更长）的光纤，增加了明显的复用和解复用损耗，并且色散补偿超过5 km。放大增强了收发器中的光信号，因此它可以克服衰减-距离增加，两个站点之间的数据可以在该距离上传输，而无需先将其转换为电信号。色散是指光脉冲沿光纤传播时的扩散。在光纤中传播时，紧密堆积的脉冲（高数据速率）会迅速散开，从而导致信号质量失真和信息丢失。

虽然PAM4需要相对复杂的接收器设计，但它可以利用现有的大容量，可靠的电光组件，使每个通道的容量增加一倍。

PAM4以其高效率（50 Gbps /通道）（简称50 G），已被IEEE 802.3用作400 GbE，200 GbE和50 GbE接口的物理层编码技术。使用PAM4需要稍微增加带宽，并引入信噪比（SNR）损耗，这需要使用前向纠错（FEC）进行补偿。

PAM4有望成为未来的串行器/解串器（SERDES）的首选调制方式，而不是高阶PAM选项。使用PAM8或PAM16将需要更多耗电的FEC，从而导致高延迟和昂贵的设计，而这些设计可能难以集成到单个专用集成电路（ASIC）中。

 相干与直接检测

400 G的一个重要部分将是确定在40 km和80 km的距离上使用相干还是直接检测。

在最基本的情况下，相干光传输使用光的幅度和相位的调制，从而能够通过DWDM技术通过光缆传输更多的信息。在这方面，它可以实现长距离链路（相干的中心形状可插拔（CFP或CFP2）），从而允许站点之间的传输距离超过1000公里。

确实，相干技术可以实现两倍或三倍的比特率，但是需要具有足够空间和足够功率的可插拔外形尺寸来完成这项工作。为什么？一方面，CFP或CFP2数字相干光学（DCO）具有内置的高速数字信号处理（DSP）芯片以减轻色散，但不需要单独的色散补偿模块（DCM）。

DSP是相干应用程序的重要组成部分，因为它在光电转换过程中在数字域中运行不同的校正和优化算法。并且，尽管这种内置补偿增加了放大位点之间的距离，但它需要更多的处理能力，并增加了组件的额外成本。

相干技术可用于称为CFP，CFP2，紧凑型CFP4和OSFP的不同可插拔外形尺寸上。所有这些都是超过100/200 Gbit / s光收发器的可插拔示例。例如，OSFP通过以60 G波特率传输16个正交幅度调制（QAM）信号束达80 km或更远距离，从而获得400 Gbit / s的数据速率。

在PAM4方面，QSFP-DD（双密度）比四方小尺寸可插拔（QSFP）和QSFP28更为紧凑且稍大，这是两者的发展，其八通道电接口支持12至15 W功率分布。相比之下，与QSFP-DD相比，OSFP具有更大的体积和表面积，并且具有约16至18 W的更高功率消耗范围。

与100 G CFP和CFP2同类产品相比，QSFP28收发器已成为事实上的100 G通用型产品，它体积更小，更具成本效益并且功耗更低。QSFP28端口通常被设计为功耗低于4至5W。尽管相干技术会随着时间的推移缩小占位面积和功耗，但要达到这个目标，即使不是完全不可能，仍然需要很多年。

简而言之，PAM4提供：

由于该技术能够利用已有的，成熟的且易于使用的NRZ组件，这些组件已经大批量出货，因此价格较低，

便宜的电子产品和ASIC。成本的扩展速度与带宽不同。

与400 G相干所需的成本更高的7 nm CMOS工艺节点相比，400 G PAM4 ASIC可以使用16 nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺节点。因此，基于PAM4的ASIC可以大大降低成本

降低功率。PAM4是一种模拟检测方法，与16 QAM相干解决方案相比，其计算能力要低得多。因此，与同等和类似的相干解决方案相比，预计400 G PAM4解决方案的最大功率需求将大大减少。

乍看之下，PAM4似乎最适合在不到40 km的范围内替代现有的可插拔解决方案，但供应商已证明，它也可以在40至80 km的范围内替代光纤许多部署方案中的数据中心互连（DCI）/相干DWDM解决方案。这是因为该模块满足了大用户的更高的价格，密度和性能要求，而大用户现在正驱动400G。

但是，应该注意的是，就成本，覆盖范围和功耗而言，单模PAM4应用定位40公里范围是最佳选择，但数据中心运营商也将对“线路端”，由数千米的连接组成，以将其数据中心相互连接。

这些连接的长度通常为80 km至100 km，因此，相干系统有望以400 Gbit / s或更高的速度占领这一细分市场；同一模块也可以达到120公里。

 收发器的来源

随着新一代大容量设备的上市，Source Photonics是面向数据通信和电信应用的光收发器的全球领先提供商，一直在提供先进的解决方案来支持向更高网络速度的迁移。该公司在过去几年中对各种光收发器的产品演示进行了演示，这些光收发器支持从50 G到400 G的数据速率，证明了该技术已为大规模部署做好了准备。

Source Photonics已与多家电信设备制造商合作，展示了基于PAM4技术的领先的50 G，100 G，200 G和400 G光学收发器。此外，该公司还参加了由以太网联盟和100 G Lambda MSA以及针对基于PAM4的100 G和400 G数据中心应用的交换机供应商组织的一系列行业多供应商互操作性活动。

图1. Source Photonics用于数据中心和路由应用的单模产品组合。来源：Source Photonics

该公司目前正在运送其400 G LR8、400 G DR4和400 G FR4 / LR4-6 / 10产品，并且正接受其高速400 G ER8 QSFP-DD的样品订单，该产品计划于此月投产。年。这个小巧的模块能够在广泛的应用领域中迁移到更高的数据速率。