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。
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。