通信应用笔记：PAM4信号优化和O波段光纤放大

原创UFO Thorlabs索雷博

PAM4发射信号优化

PAM4是4电平脉冲振幅调制的缩写。

PAM4 = Pulse Amplitude Modulation, 4 Levels

在典型的数字信号中，信息以一系列的0和1传输。对于光学系统，这意味着光要么开启要么关闭。但不同于开关信号的是，PAM4有四个不同的电平。

使用PAM4能够在相同时间内传输两倍的信息量，但它要求所有元件都是线性的。换言之，使用相同的3 dB系统带宽能够传输两倍的信息量。从下图可以看出，传输相同的0010011011信息，PAM4用时为NRZ的一半。不过，为了优化PAM4系统响应，我们需要考虑每 yi 级 的线性度以及其它参数。

(a) 开关键控(NRZ)信号，2电平

(b) PAM4信号，4电平

下面是一个回环系统的示例图。PAM4电信号由码型发生器或任意波形发生器(AWG)产生，随后通过线性参考发射机转变成光信号。接收机 zui 后 将光信号转回电信号，并通过采样示波器测量。

重要概念

线性度：NRZ vs. PAM4

标准的开关键控也称不归零(NRZ)，需要清晰地识别开或关。它的一种实现方法是通过高增益组件使所有信号变成1或0。对于PAM4信号，所有元件都需要保留中间振幅，使系统输出具有四种不同的电平。

数据率：Bit vs. Baud

在描述PAM4信号时，比特率和波特率是两个不同的概念。比特率表示一个时间周期内传输的总信息量，而波特率表示传输的符号数量。

● 对于NRZ系统，每个符号就是1或0，因此包含一个比特。比如，一台40 Gbit发射机可实现40 Gbit数据率。

● 对于PAM4系统，每个符号包含两个比特，并具有四个不同的值：00、01、10或11。比如，一台56 Gbaud发射机可实现112 Gbit数据率。

40 Gb/s数字发射机                            65 GHz线性发射机

眼图用于评估信号质量：

● 振幅噪声 – 在纵轴上

● 时间抖动 – 在横轴上

● 线性度 – 看振幅电平的纵向间距

● 带宽 – 看不同电平之间的上升和下降时间

2电平眼图                                4电平眼图

发射机的偏置

Thorlabs MX系列参考发射机使用对电压呈正弦响应的马赫-曾德尔调制器。尽管信号的振幅和间隔保持恒定，但相位会随时间和温度偏移，因此要使用闭环反馈系统确保 zui 佳 的长期性能。

抖动方法能够有效地识别 zui 佳 偏置点并维持在那个点上工作。不过对于PAM4信号，光振幅抖动将导致眼图中产生明显的噪声。幸好的是，MX系列发射机还能以Constant Ratio模式工作，以此在闭环配置中维持偏置，并且不在信号中引入噪声。

调制器传递函数

调制器传递函数是正弦的，因此响应是非线性的。

调制器传递函数

电压

为了使PAM4光信号具有高消光比和相同间隔的电平，一种简单的方法是调节眼内和眼外的相对振幅。这种调节发生在码型发生器中。如下图所示，改变输入电压码型(减小眼内振幅)产生了间隔相同的光输出电平，说明是干净的PAM4信号。另外，很多码型发生器和任意波形发生器还提供一些更 gao 级 的方法，用于优化PAM4眼图中不同电平的间距。

调制深度和线性度

因为调制器的传递函数是正弦而非线性的，所以调制深度和线性度会互相制约。输入摆幅越高，调制深度越大，但非线性度也会增加，或者说总谐波失真(THD)增加。这是一般信号类型都有的问题而不是特指PAM4信号。下图展示了MX65E线性参考发射机中的这种关系。

MX65E调制深度和THD随输入摆幅的变化

输入摆幅(mVpp)

为了使发射机正常工作，需要为调制器施加正确的信号电平。

● 如果线性度为决定因素，比如正弦扫频分析，此类应用需要较小的振幅，所以调制器具有高线性度。我们的MX40G和MX70G已校准电光转换机没有RF放大器，使信号保持在线性范围内。

● 如果调制深度为决定因素，这时可使用高增益限幅RF放大器，使信号电平刚好等于调制器的半波电压。我们的MX10B和MX40B数字参考发射机使用限幅放大器，主要针对NRZ应用。

● 如果调制深度和线性度都很关键，bi 须 使用线性RF放大器。线性放大器通常具有中到低的可调增益，用于将码型发生器输出的信号电平放大到半波电压的 yi 定 百分比。配合信号的预调节还可 xiao 除 因为大信号产生的非线性。我们的MX35E和MX35D发射机使用可调增益的RF放大器，不仅能接收更宽的输入信号振幅，而且维持 zui 佳 的输出信号振幅。

不同类型放大器的输入/输出电压

频率响应：损耗和补偿

对于PAM4信号，四个电平不仅要维持相同间隔，而且频率响应(光波形在不同电平之间的移动)也很重要。只有保证足够高的带宽，电平转换才能在极短时间(一个符号长度的一小部分)内完成，否则眼图就会闭合。对于高波特率，信号路径中的很多元件都会降低带宽，因此 bi 须 维持整个系统中的带宽，并在可能时补偿高频损耗。

电缆损耗是高速系统要考虑的问题。比如在40 GHz系统中，1尺长的低损耗电缆也将引入1.5 dB损耗。为了维持高频信号的保真度，应使用尽量短的电缆。

‍O波段光纤放大器

PDFA100掺镨光纤放大器可用于O波段中的CWMD信道。它以Thorlabs氟化物光纤为核心组件，确保光信号的无失真放大，不管什么调制格式、数据传输率或功率水平。

- PDFA工作原理图 -

▎PDFA掺镨光纤放大器

Thorlabs提供台式设备和OEM模块两种不同的掺镨光纤放大器；注意两图比例不同，就 zui 长 边而言，前者深度为30 cm，后者高度约16 cm。PDFA主要规格如下：

● 工作波长：1280-1330 nm

● 小信号增益：>20 dB

● 输出功率：>16 dBm

● 噪声系数：<8 dB

PDFA100提供高增益和低噪声性能，可直接放大低至-30 dBm的光信号。通过将信号放大到数字通信分析仪(DCA)的电噪声本底之上，这样能显著 gai 善 LR4/LR8、100GE、200GE和400GE等接口的测试。下面是一个简化的收发测试装置，可用于PAM4系统中的发射机色散眼图闭合四相(TDECQ)等标准测量。在分析信号之前，PDFA补偿了光学系统的损耗。

PDFA vs. OSA

由于高饱和功率(>16 dBm)和较慢的毫秒级增益，PDFA能 xiao 除 由于饱和导致的信号失真。典型的半导体光放大器(SOA)提供约10 dBm饱和功率和皮秒级高速增益，因此其输入功率要经过衰减才能避免饱和效应和光信号失真。

PDFA则不受码型影响，因此无需控制它的输入功率并且能用作前置或助推(Booster)放大器。在信号收发测试和测量应用中，PDFA能够实现多个光接收机或多个平行信道的过载测试。

下面两个眼图分别使用PDFA100和某种商用SOA放大50 GBaud/s PAM4信号测量。对比两图更能体现出两者的性能差距：PDFA产生了失真极小的眼图，而SOA则因为饱和使眼图出现了明显的失真。两个眼图都是使用Thorlabs MX65E-1310线性参考发射机和RXM40AF超快接收机测量的。

PDFA的眼图                                  某商用SOA的眼图

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