常見的400G收發(fā)器封裝類型有兩種，分別是OSFP和QSFP-DD。OSFP封裝的光模塊熱性能好，可擴(kuò)展至800G，但體積較大。QSFP-DD封裝中的光模塊更簡單、兼容。對于400G光模塊，OSFP/QSFP-DD與主機(jī)接口電信號為8x50G/PAM4，即均采用PAM4調(diào)制方式。本文將介紹PAM4調(diào)制方式及其在400G收發(fā)器中的應(yīng)用。
光通信中的PAM4是什么？
PAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-Level）是目前光通信領(lǐng)域非常重要和基礎(chǔ)的技術(shù)。在了解PAM4之前，有必要了解另一種更基礎(chǔ)的信號調(diào)制技術(shù)：NRZ(Non-Return-to-Zero)，也叫PAM2(2-level)。NRZ是一種數(shù)字邏輯信號，它使用高低信號電平來表示傳輸?shù)男畔ⅰτ趩螛O性不歸零碼，“1”和“0”分別對應(yīng)于正電平和零電平，或負(fù)電平和零電平。雙極性非零碼，其中“1”和“0”分別對應(yīng)正電平和等效負(fù)電平。
術(shù)語“非零”并不是說沒有“0”，而是信號不需要在傳輸完每一位數(shù)據(jù)后返回零電平（顯然，NRZ相比RZ節(jié)省了帶寬）。在光模塊調(diào)制中，我們利用激光的功率來控制“0”和“1”。簡單來說，就是當(dāng)實(shí)際發(fā)射光功率大于某個(gè)閾值時(shí)，為“1”；如果小于某個(gè)閾值，則為“0”。
隨著帶寬需求的不斷增加，我們需要想辦法增加單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)倪壿嬓畔⒘浚冗M(jìn)的調(diào)制技術(shù)PAM4應(yīng)運(yùn)而生。
它使用4種不同的信號電平進(jìn)行信號傳輸;
它可以將單個(gè)符號周期表示的邏輯信息從NRZ的 1 bit變?yōu)?2 bit。
例如25G EML芯片經(jīng)過PAM4調(diào)制后，可制成單通道50G PAM4光模塊。
為什么400G以太網(wǎng)采用PAM 4技術(shù)？
起初，IEEE協(xié)會在制定400GBASE-SR16等新一代200G/400G接口標(biāo)準(zhǔn)時(shí)并未考慮PAM4技術(shù)，而是采用NRZ技術(shù)通過16x25Gbps并行通道實(shí)現(xiàn)400G傳輸速率。但該方案需要大量的光纖，不經(jīng)濟(jì)可行，而且收發(fā)芯片的時(shí)間裕量、傳輸鏈路損耗和尺寸都不能滿足400G以太網(wǎng)的需求。
因此，IEEE協(xié)會在制定802.3bs標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，提出用PAM4代替NRZ。經(jīng)過對PAM4信號的特性和參數(shù)測試的深入研究，該提案最終獲得通過。隨后，基于PAM4技術(shù)的400GBASE-LR8/400GBASE-FR8接口標(biāo)準(zhǔn)頒布，成為第一個(gè)400G接口標(biāo)準(zhǔn)。接口標(biāo)準(zhǔn)采用8x50Gbps PAM4技術(shù)實(shí)現(xiàn)400G傳輸。它不再像NRZ那樣需要16x25G信道來實(shí)現(xiàn)400G傳輸。這樣既可以節(jié)省光纖成本，又可以減少鏈路損耗。
PAM4在400G收發(fā)器中的應(yīng)用
多模vs單模
PAM4是400G QSFP-DD光模塊的主要調(diào)制方式，有多模和單模兩種類型。基于PAM4調(diào)制的400G收發(fā)器電口側(cè)采用8x50G PAM4調(diào)制，光口側(cè)有8x50G PAM4和4x100G PAM4兩種調(diào)制方式。
（1）多模400G收發(fā)器
常見的400G多模光模塊為SR8和SR4.2接口，均采用8x50G PAM4調(diào)制。
400G SR8：“SR”表示使用多模光纖傳輸100m距離，“8”表示有8個(gè)光通道。當(dāng)每個(gè)光通道使用 50G PAM4 運(yùn)行時(shí)，總共需要 16 根光纖（8 TX 和 8 Rx）。400G SR8光模塊可以使用MPO-16連接器或MPO-24連接器連接8對光纖；
400G SR4.2：“SR”是指使用多模光纖傳輸100m距離，“4”表示有4個(gè)光通道，而“2”表示每個(gè)光通道有2個(gè)波長。400G SR4.2模塊采用MPO-12連接器，每個(gè)光通道使用2x50G PAM4，共需要8根光纖。波長是雙向和多路復(fù)用的。SR4.2的主要優(yōu)點(diǎn)是可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的光纖資源。
（2）單模400G收發(fā)器
單模400G光模塊可分為兩類。一類光口側(cè)采用8x50G PAM4調(diào)制，另一類用4x100G PAM4調(diào)制。這兩種方法都使用DSP作為CDR（沒有建立模擬CDR）或Gearbox和CDR的組合。區(qū)別在于線路側(cè)的信號傳輸速率和使用的激光器數(shù)量。
基于8×50G PAM4的單模400G收發(fā)器
這種調(diào)制方式下常見的400G光模塊有3種：FR8、LR8、2xFR4。
400G FR8 和400G LR8是最早可用的400G單模接口。“8”表示使用8個(gè)波長，每個(gè)波長使用50G PAM4。“FR”表示2km傳輸，“LR”表示10km傳輸。將8個(gè)波長復(fù)用到一根光纖中，F(xiàn)R8和LR8光模塊采用雙工LC光接口；
2xFR4 400G光模塊使用8個(gè)激光器，但分為兩組4個(gè)波長（根據(jù)200G FR4標(biāo)準(zhǔn)），兩組分別復(fù)用到光纖中，光模塊在兩個(gè)CS連接器上提供2x200G信號。
但是，使用8x50G解決方案時(shí)需要權(quán)衡取舍。一方面，它們在某些情況下提供了改進(jìn)的鏈路預(yù)算，但另一方面，每個(gè)模塊的總激光器成本更高，光學(xué)封裝更復(fù)雜，導(dǎo)致產(chǎn)量更低，生產(chǎn)成本更高。相比之下，4x100G模塊的功耗更低，熱處理能力更簡單。因此，4x100G方案將更受歡迎。
基于4×100G PAM4的單模400G收發(fā)器
4x100G光模塊是當(dāng)前市場的焦點(diǎn)。他們的線路側(cè)使用100G PAM4的四個(gè)通道。在這里，我們可以將這些光模塊分為“多纖”和“雙纖”。這些光模塊的關(guān)鍵部件是具有Gearbox功能的DSP，包括DR4、FR4和LR4。
400G DR4：在400G DR4光模塊中，DSP將8x50G PAM4電信號轉(zhuǎn)換成4x100G PAM4，然后傳輸給光引擎。同時(shí)DSP作為CDR，每個(gè)通道的工作波長為1310nm，每個(gè)通道需要一根光纖，所以總共需要8根光纖；
400G FR4和LR4：DSP的基本功能在FR4和LR4光模塊中與DR4相同，但現(xiàn)在使用四個(gè)波長（CWDM4）代替四個(gè)1310nm信號，并增加了一個(gè)多路復(fù)用器來組合這些CWDM信號。這樣FR4/LR4所需的光纖數(shù)量減少到2根（TX+Rx），采用雙工LC光口。
綜上所述，隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的出現(xiàn)，交通的快速增長迫使信號調(diào)制技術(shù)向更復(fù)雜的方向發(fā)展。作為目前最高效的調(diào)制技術(shù)，PAM4已成為400G高速光模塊發(fā)展的必然趨勢。
在未來，考慮到成本，4路光信號實(shí)現(xiàn)400G傳輸?shù)姆绞娇赡軙蔀橹髁鳌Ｍ瑫r(shí)，光模塊的電口可能會逐步升級為4x100G PAM4的形式，省去Gearbox芯片，以節(jié)省功耗和成本。
