200G 單通道 PAM4 調變：技術選型依據與實驗驗證

本文根據 B. Welch 向 IEEE P802.3df 200G/400G/800G/1.6Tb/s 乙太網路工作小組提交的調變方案提案，整理四階脈衝振幅調變（PAM4）應用於 200G 單通道光學鏈路的元件效能、等化策略與製程微縮三項面向。

IEEE 802.3df 工作小組正評估支援 500 公尺與 2 公里光學鏈路的調變格式，技術選型將直接影響下一代 800GbE 光模組設計。每通道 200G 目標使調變方案的頻寬效率與向下相容性成為關鍵決策點，2025 年的標準定案期限令工程選型更加迫切。

為何選擇 PAM4 而非更高階調變

PAM4 透過四個振幅階層在每個符號中編碼 2 bit，相較於非歸零（NRZ）訊號可在相同頻寬下倍增資料速率，且已在 100G 單通道系統中累積大量產業部署經驗，設計方法論與測試程序框架完整，可直接降低 200G 開發風險。

PAM6 或 PAM8 等更高階調變格式雖理論上可在更窄頻寬內達到更高速率，但因相鄰階層間距縮小，雜訊餘裕大幅降低，需要解析度高達 15 bit 的數位類比轉換器（DAC），且造成超過 2 dB 的光調變振幅（OMA）損耗，並使多速率向下相容操作更難實現。PAM4 的預期鮑率約 112 GBaud，低於相干替代方案接近 120 GBaud 的操作需求。

矽光子元件頻寬量測結果

106 GBaud PAM4 傳輸要求光電元件頻寬具備足夠餘裕。矽光子製造廠的特性分析資料顯示，使用相位偏移二極體的 Mach-Zehnder 干涉儀（MZI）調變器，跨多個製造場址與晶圓批次的平均 3 dB 頻寬達 115 GHz，超出目標鮑率約 8%，確認調變器不是系統瓶頸。

接收端矽光子 PIN 光電二極體於相同多場址測試條件下達到 62 GHz 頻寬。實際接收器實作可能以約 50 GHz 運作以最佳化靈敏度，不足的頻寬響應透過接收端等化補償，屬設計刻意取捨而非元件限制。

等化策略實驗驗證

實驗使用 106.25 GBaud 偽隨機二進位序列訊號源，系統性測試三種濾波器頻寬（85 GHz、56 GHz、40 GHz）與多種等化器配置的組合，量測指標為發射器色散眼圖閉合四元值（TDECQ，門檻通常訂為 3.4 dB）。

僅使用前饋等化器（FFE）時，5-tap FFE 搭配 56 GHz 頻寬達到 3.12 dB TDECQ，7-tap FFE 搭配 40 GHz 頻寬達到 3.17 dB TDECQ，均接近門檻邊緣。加入決策反饋等化器（DFE）後，效果顯著提升：15-tap FFE 加 1-tap DFE 組合在 85 GHz 頻寬下達到 1.09 dB TDECQ，在 40 GHz 頻寬下達到 1.35 dB TDECQ，均大幅優於 3.4 dB 規格門檻，顯示 FFE+DFE 策略可在頻寬受限條件下仍維持充裕的訊號品質餘裕。

106.25 GBaud PAM4 在 85/56/40 GHz 濾波器頻寬與無等化、FFE、FFE+DFE 配置下的實驗眼圖與 TDECQ 量測結果。15-tap FFE + 1-tap DFE 於 85 GHz 頻寬下達到最佳 1.09 dB TDECQ，達標門檻（3.4 dB）餘裕 2.31 dB。

電子製程微縮對系統功耗的影響

TSMC 技術藍圖資料顯示，3 奈米製程相較於 16 奈米 FinFET Plus，在恆定功耗下效能提升至少 64%；若維持恆定速度，功耗則降低至少 79%。此幅度的功耗改善使高複雜度 FFE+DFE 等化電路可在嚴格的模組熱限制內實作，先進製程節點確保電子元件不成為 200G 單通道系統的制約因素。

整體評估

因為 MZI 調變器的 115 GHz 頻寬為 106 GBaud 操作提供充足餘裕，收端頻寬不足的問題可由 FFE+DFE 策略以 1.09 dB TDECQ 達標解決，加上 3 奈米製程帶來的 79% 功耗降幅確保等化電路可在模組形式因數內實現，使 PAM4 方案具備完整的系統可行性。PAM4 對多速率操作的內建支援進一步滿足 800GbE 部署對 100G 單通道基礎設施向下相容的市場要求，回應了工作小組在 500 公尺與 2 公里傳輸距離上的標準制定

參考資料

B. Welch, "Modulation proposal for 200G/L solutions for 500m and 2km reaches," in IEEE P802.3df 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s, and 1.6 Tb/s Ethernet Task Force.