正面迎向架構進化挑戰 元件/測試方案力挺400G光通訊

2019-08-31
400G PAM4訊號複雜度高,促使收發模組須搭配數位訊號處理器(DSP),雷射發光源改用成本較高的EML雷射,而為達效能要求,在訊號量測階段要求更精準, 因此廠商也競相推出高速量測解決方案。
Xilinx

400G光通訊將扮演5G、物聯網(IoT)時代網路「大水管」基礎架構的任務,而400G系統與行動通訊5G跨足陌生的高頻毫米波領域類似,將採用四階脈衝振幅調變(PAM4)取代不歸零編碼(Non-Return-to-Zero line code, NRZ),是一個架構改朝換代的過程,將帶動400G系統從晶片、模組到設備的全面更新,刺激寬頻網路建設的新一波商機。

然而,PAM4藉由較為複雜的調變技術,將傳輸速率翻倍,廠商也面臨隨之而來的技術挑戰,包括訊號容易衰減,傳輸距離變短,同時PAM4訊號複雜,也促使收發模組須搭配數位訊號處理器(DSP);雷射發光源從技術簡單的DFB雷射,改用EML雷射;而單模100G的架構,為達效能要求,訊號量測也要求更精準,展望400G光通訊傳輸系統,除了市場與應用的動態之外,許多元件與技術發展議題同樣值得關注。

PAM4調變技術複雜度大增

電與光是目前通訊技術主要的訊號源,近年發展趨勢逐漸朝向無線通訊使用電訊號,有線通訊尤其是寬頻技術則採用光訊號的走向。從訊號的傳輸頻率來觀察,高雄科大電子工程系特聘教授施天從表示,無線電波可用頻率大概是300GHz以內,過去4G LTE僅使用6GHz以下頻段,5G時代將延伸到30GHz以上的毫米波頻段,應用範圍預計達100GHz。

而光訊號換算成頻率,大概是20~60萬GHz之間,頻譜資源比無線電波多了1~10萬倍,這也是光通訊可以輕易達到高頻寬的原因,但光採直線進行,相較無線電波可以在空氣中傳輸,光訊號傳輸若要維持高效能,使用光纖有線傳輸是目前比較好的方式。

無線電波可用頻譜較少,所以現在採用的都是非常複雜的調變技術,以提高訊號酬載率,施天從指出,與光訊號比較,無線電波算是在有限頻寬內擠出有限傳輸能力,而光通訊則是相反,傳統的二進位NRZ調變技術非常簡單,但為提升資料速度,下世代光通訊導入複雜度較高的PAM4調變。在NRZ訊號傳導中,資料是以PAM2來傳輸,其中每個脈衝只有兩個數據編碼:0或1。在PAM4中,每個脈衝則有四個編碼:0、1、2或3,而在一整個位元組中將有兩個脈衝會被編碼,這意味著被傳輸的資料將會有8位元,透過倍增每單位間隔(UI)的位元數,以提高位元密度。

但複雜的編碼技術,讓訊號強度容易衰減,也影響傳輸距離,太克科技技術經理楊雄偉(圖1)說,一般而言,PAM4 400G模組傳輸距離在500米以內,雖然IEEE 802.3系列的標準,已經制定一系列Beyond 10公里的標準,最長到40公里,但長距離布建,其模組與線路要求更加嚴格,成本也跟著水漲船高。

圖1 太克科技技術經理楊雄偉認為,即時示波器,可保持雜訊比,提高訊號完整性。

400G元件技術難度/成本升級

另外,光收發模組的雷射發光源也有所不同,施天從解釋,成熟的NRZ模組,使用分散式反饋雷射(Distributed Feedback Laser, DFB),內置布拉格光柵(Bragg Grating),屬於側面發射的半導體雷射,優點是結構簡單、技術成熟、價格便宜。目前,DFB雷射主要以半導體材料為介質,包括銻化鎵(GaSb)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。DFB雷射器最大特點是具有非常好的單色性,也就是光譜純度,線寬普遍可以做到1MHz以內,邊模抑制比(SMSR)可高達40~50dB以上。

而因應PAM4的訊號複雜性,發光源必須採用電致吸收調變雷射(Electro-absorption Modulated Laser, EML),使用一顆直接調變雷射(Direct Modulated Laser, DML),與一顆EAM調變器開關組合而成。將雷射光注入外部調變器中,調變訊號控制外部調變器,利用調變器的電光或相位差等效應,使其輸出光的強度等參數隨訊號調變而變化,由於雷射只工作在靜態直流狀態下,因此可降低啁啾現象,提高訊號傳輸性能。

再者,PAM4收發模組與NRZ收發模組,在晶片架構上也有所不同,Credo行銷與業務發展副總裁Jeff Twombly提到,主要差異在雷射驅動晶片、轉阻放大器(TIA)晶片和資料處理晶片上,由於PAM4編碼有四種電平邏輯,所以模組內部的雷射驅動晶片和TIA晶片都具備線性輸出功能,而NRZ模組架構則更為簡易,使用限幅輸出的方案即可。PAM4模組需要使用DSP來完成50G PAM4和 2×25G NRZ信號的轉換,而NRZ模組只需要使用傳統的CDR晶片即可完成資料傳輸,PAM4收發器架構複雜度與成本都面臨提升。

高速光通訊精準量測方案大舉出籠

PAM4的調變複雜度,在技術發展初期變成一種能載舟亦能覆舟的現象,提升資料速率帶來許多副作用,安立知業務暨技術支援部副理王榆淙(圖2)認為,高速光通訊尤其是400G系統,目前還有些技術挑戰,因此透過訊號精準的量測就成為現階段元件、模組與系統產品效能表現的重點之一。

圖2 安立知業務暨技術支援部副理王榆淙認為,取樣示波器與BERT進行高速訊號量測,成本較即時示波器降低。

在進行高速訊號量測時,為實現超高頻寬,部分廠商採用頻率交錯掃描技術,將訊號分成高頻段和低頻段,分開進行數位化。太克科技技術應用經理鍾志銘(圖3)說,以這種方式單獨數位化不同頻段將會導入雜訊,導致相位、振幅和其他不匹配狀況,而在兩個頻段重組時很難克服這些問題。該公司的即時示波器採用ATI技術(時間交錯掃描,而非頻率交錯掃描)達成高取樣速率,整個訊號頻譜由效能匹配的兩條對稱訊號路徑分別進行數位化,在還原整個頻譜時將能明顯降低雜訊。

圖3 太克科技技術應用經理鍾志銘表示,採用ATI技術的即時示波器,在還原頻譜時將能降低雜訊。

楊雄偉補充,傳統的取樣示波器在進行高速訊號量測時,僅能驗證無法直接進行除錯,太克的70GHz即時示波器,可保持雜訊比,提高訊號完整性。讓使用者可以更加準確地擷取和量測訊號,同時具備200GS/s超高取樣速率及5ps/取樣點解析度,改善解析度和時序。

安立知則是結合示波器與訊號品質分析儀(BERT)進行高速訊號量測,成本相較即時示波器大幅降低,王榆淙說明,該公司解決方案可利用32Gbps的多頻道PPG/ED、32G/64G PAM4 PPG、32G PAM4 ED和抖動/雜訊產生器等擴展測量應用,以支援更快速裝置的訊號完整性分析,完成寬頻網路介面的物理層測量功能。

在100/200/400G多通道光模組/元件的研發與製造上,王榆淙解釋,安立知的解決方案可同時使用四通道BERT及四通道取樣示波器進行測量,快速測量及高性能可縮短測試時間,其取樣示波器每秒25萬個樣本的高速取樣,5秒內可擷取100萬個樣本,內建用於NRZ及PAM4的時脈還原單元CRU。訊號品質分析儀則是強調高靈敏度-15dBm、低抖動PPG 600 fs等。

針對主動式光學裝置與WDM訊號,王榆淙指出,Anritsu光譜分析儀,可以縮短從波形掃頻到傳輸資料至外部裝置的整體時間,使用多重應用程式,以提高測量處理速度,並縮短裝置評估時間。具備快速的波形掃頻與範圍處理,支援波形掃頻速度0.2s/5nm的頻譜測量;即時監控頻譜與雜訊等級的波動,確認光源波長的變動狀態。

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