短距光互连的PAM4调制技术研究

申请上海交通大学工程硕士专业学位论文短距光互连的PAM4调制技术研究学校：上海交通大学院系：电子信息与电气工程学院班级：Z1303421学号：1130342031工程硕士生：彭真工程领域：电子与通信工程导师Ⅰ：杨宇红（高级工程师）导师Ⅱ：曾巧玉（博士）上海交通大学2016年5月3日ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforMasterDegreeofEngineeringSimulationAnalysisofPAM4OpticalFiberCommunicationSystemAuthor：Zhen.PengSpecialty:ElectronicsandCommunicationEngineeringAdvisorⅠ:SrEng.YangAdvisorⅡ:Prof.ZengSchoolofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaMay24th,2016上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日上海交通大学工程硕士学位论文摘要第I页上海交通大学工程硕士学位论文短距光互连的PAM4调制技术研究摘要在数据中心及短距离光纤传输领域，目前仍然采用的是NRZ的调制方式。但是随着传输速率由28G向更高速率的演化，背板等电信号传输会对高频信号产生更恶劣的损耗，而采用更高阶的调制，在相同信号带宽下可以传输更多的数据，因此业界对采用更高阶的PAM4调制方式呼声越来越高。相应地，如果光信号也能够采用PAM4来传输，则在光模块内部进行电光转换时，可以直接实现对PAM4信号的时钟恢复以及预加重等处理，从而免去了先将PAM4信号转化成2倍波特率的NRZ信号再进行相关处理的多余环节，进而可以节省芯片设计成本。在华为的2014年一份研究报告中指出，在比较系统复杂性、系统性能以及成本条件下，PAM4是大有实用前景的一种调制格式[32]。2015年年中，IEEEP802.3bs工作小组开会，已经投票将会对以下四个应用场景来制定相应的标准。分别是100m多模光纤、500m单模光纤、2km单模光纤、10km单模光纤。其中，100m范围内，依然采用NRZ调制格式的多模光纤来传输。500m、2km、10km传输时采用单模光纤，但调制格式的选取上，仍旧有所保守，没有指出一个明确的方向，并且如何来上海交通大学工程硕士学位论文摘要第II页选取发射接收端器件、具体参数怎么来定，都也还没有明确的定义，这些都需要业界更多的研究来提供参考。而本文就是基于现有的NRZ链路模型，运用先进的仿真软件进行适当的仿真，进行参数优化并得到最佳的搭配方案，来证明PAM4完全可以用于光网络传输，并给标准定义以及器件厂商设计系统器件时作为参考。本文先基于目前光纤通信系统总结出了基于不同应用场景最流行的三种搭配方式。然后对PAM4三种未来可能采用的链路连接方式进行了讨论，并预测到将来将会采用Host以及光模块内部都是PAM4调制格式的信号来传输。然后在第五章中对第二章节里面所总结的三种应用场景分别进行了NRZ与PAM4的仿真。笔者成功地搭建了三种场景下的传输链路系统，并通过增加CDR模块解决了在多模光纤中接收端误码仪不能正确解析发送信号的问题。多模光纤传输中的仿真结果表明，在28Gbaud/s下，采用系统默认VCSEL参数在多模光纤中传输PAM4信号距离为100m时，接收端误码已在1E-4左右，而笔者通过构建实际的P-I-V曲线导入模块，并对有源区直径、光子寿命、上下腔反射系数等参数进行合理优化，可以将误码率降至1E-7，就可以满足传输PAM4的1E-5的要求。而仿真结果也显示，虽然工作于1550nm波段外调制系统在长距离通信比较流行，由于其色散系数比较大（16ps/nm/km），并不适合PAM4的传输，在2km的传输距离时，误码率已达到4E-3，而相同NRZ码的误码率为3E-16，两上海交通大学工程硕士学位论文摘要第III页者相差-13个数量级，虽然可以加上色散补偿模块，但这也会造成成本的升高，因此也不建议去采用外调制这种方式。相对于以上两种方式，仿真结果发现在2km的传输范围左右，采用DFB激光器在单模光纤中传输时是最优的搭配方式，并且通过仿真得到了接收端误码率与传输距离、比特率的关系式。进而可以得出一些很有建设性的结论，比如NRZ传输的误码率对传输距离更加敏感。虽然PAM4相对于同比特速率的NRZ来说，依然处于劣势，但随着速率的将来提升，有可能在光领域，PAM4也可以完胜NRZ。而灵敏度的对比则体现出，PAM4对功率更敏感，在5E-5时，其灵敏度为-7.5dBm，而NRZ可以达到-17.5dBm，相差-10dB,这也对相关厂商提出了更严格要求，比如需要增加发射端功率等。关键词：光纤通信系统，VPItransmissionmaker，PAM4，Optisystem，光纤仿真上海交通大学工程硕士学位论文Abstract第IV页AnalysisofPAM4OpticalLinkinShortReachAbstractOpticaltransmissionhasmanyadvantagescomparedtoconventionalmetalwire(copperwire),suchaslessexpensive,smallerdiameter,highercarryingcapacity,lesssignaldegradation,lightsignals,lowpowerconsumption,digitalsignalstransmission,non-flammable,lightweight,flexible.Inthegloballongdistancetransmissionsystem,opticalfiberhasgraduallytakentheplaceofcopperwire.InChina,thegovernmentadvocatesfiber-instead-cablestrategy,manycommunicationcompanieshasupgradedtheirsystemtoopticfibertransmissionsystem.Sofar,theopticfibercommunicationhasgonethrough4generations.Inthe1stgeneration,thewavelengthis0.8umwithmultimodefiber,thebitrateis20-100Mbit/s.The2ndgenerationworksat1.3um,transmitsinsinglemodefiber,thebitratecanreachesto1.7Gbit/s.Inthefollowing3rdgeneration,thesystemworksat1.55umwavelength,sincethelowestattenuationpointisnearthe1.55um,thesystembitratecanrampupto10Gbit/s.Theabove3generationsystemsalladoptedtheIM/DDmethod,thatisintensitymodulation/directdetection,itscapacityhasmetbottleneckintheendof1980s.Andinthistime,manynewtechniqueshascomeoutsuchasEDFA(ErbiumDopedFibermplifier),WDM(WavelengthDivisionMultiplex),Coherentlightsystems,thesesystemshaveextendedthetransmissiondistanceandcapacity.Sothe4rdgenerationischaracterizedbytheamplifierandwavelengthdivisionmultiplextechnology.Sofar,thedifferentapplicationshaveadoptedthedifferenttechniques.Inshortreach,thepopularwayistakeVCSELastransmitter,andPINasreceiverwithMMFasmedium.Inmediumreach,theindustriesbegantotakeDFBandSMFastransmitterandmedium.Andinlongerdistances,APDreceivershavebeenadopted.Asthedataraterampsupfrom28Gbpstohigher,theindustrialfield上海交通大学工程硕士学位论文Abstract第V页hasenteredintoacrossstreet.HigherNRZmodulationraterequiresmoreexpensivematerials,morecompanieswouldliketousePAM4modulationformat.MembersoftheIEEEP802.3bsTaskForceagreedduringtherecentIEEE802.1/IEEE802.3JointInterimMeetingtoadoptasingle-modefiberPMDbasedonfourwavelengthsof100Gbpseach,accordingtothemeeting'shost,TheEthernetAlliance.TaskForcemembersvotedtoadopta4x100-GbpsPMDbasedonPAM-4modulationforsingle-modefiberapplicationsatreachesof500m.ThePMDwouldusefourfibers,similarlytothewaythePSM4MSAaddresses100GigabitEthernetapplicationsviafour25-Gbpstransmissionsoverindividualfibers.Thegroupalsovotedtoadoptan8x50-Gbpsapproachforreachesofatleast10km.ThisPMDalsocallsforPAM-4modulation,butoverasinglefiber.ThepaperhasfirstlyintroducesthelatestresearchofPAM4inlaborataryandindustry,thedevelopprogressofPAM4protocolon400G,andthetestmethodraisedbyoscilloscopesupplier