雙偏振IMDD系統(tǒng)推進(jìn)數(shù)據(jù)中心連接技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
& V3 Y" ]9 x7 c# c9 ^! R隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)高速傳輸?shù)男枨蟪掷m(xù)增長(zhǎng)。光電子集成正引領(lǐng)著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間連接技術(shù)的下一代轉(zhuǎn)型。雙偏振(DP)強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IMDD)系統(tǒng)是滿足這些需求的有效方法。本文將探討DP-IMDD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件和概念，重點(diǎn)介紹其在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)。

3 @+ a, g8 v0 {+ T$ \5 DDP-IMDD系統(tǒng)的核心理念是通過(guò)復(fù)用兩個(gè)偏振來(lái)將單模光纖(SMF)的容量翻倍。與采用相干檢測(cè)系統(tǒng)不同，IMDD系統(tǒng)必須在光電檢測(cè)之前進(jìn)行主動(dòng)偏振恢復(fù)。這是因?yàn)樵谄椒铰蓹z測(cè)過(guò)程中，光學(xué)相位信息會(huì)丟失[1]。
9 T) V* M3 K5 C
2 @+ a6 z$ h" K* u
DP-IMDD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
1. 雙偏振外調(diào)制激光器(EML) TOSA
發(fā)射機(jī)TOSA是DP-IMDD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。它集成了兩個(gè)EML，創(chuàng)建了一個(gè)雙偏振發(fā)射機(jī)。
: O6 N3 z% D- L' t! \, M
圖1(a)顯示了DP EML TOSA的示意圖，圖1(b)展示了實(shí)際器件的照片。
7 M3 [8 @8 I  \# u
DP EML TOSA包括以下部分：

兩個(gè)安裝在獨(dú)立熱電制冷器(TEC)上的EML

用于溫度和功率控制的熱敏電阻和監(jiān)測(cè)光電二極管

空間偏振復(fù)用組件（準(zhǔn)直器、隔離器、半波片和偏振合束器）

用于電氣連接的柔性印刷電路(FPC)

帶單模光纖(SMF)的LC接口用于光學(xué)輸出
) G- O6 a/ @& w/ N
  k9 J& {; v: @6 r* @器件的緊湊尺寸（26.8 x 6.7 x 5.3 mm3）使其適用于高密度應(yīng)用。TOSA展現(xiàn)出優(yōu)異的性能特征，包括：
: ^1 \+ ?# Q* q# |5 G' X5 @* Q9 s1 S

激光器閾值電流約12mA

80mA驅(qū)動(dòng)電流下的光纖輸出功率為5mW

-1V至-3V反向偏置下，直流消光比超過(guò)10dB

兩個(gè)EML之間的波長(zhǎng)間隔為1.3nm

偏振消光比(PER)超過(guò)25dB
4 J2 O6 `' U5 E) K5 t

" Z4 O. x3 u( K4 d# J: ^圖2顯示了兩個(gè)輸出通道的光譜，展示了PER與波長(zhǎng)間隔的關(guān)系。也分別展示了每個(gè)偏振的均衡106.25Gbps眼圖。

% R/ _! K6 A" l0 }2 [) `7 R2. 硅基光電子雙偏振接收機(jī)
3 e0 i5 i- S$ x6 B0 W& L8 _DP-IMDD系統(tǒng)的接收端采用單片集成的硅基光電子芯片。這種緊湊的解決方案（5.8 x 1.5 mm2）包含幾個(gè)關(guān)鍵元素：

圖3：(a)說(shuō)明了硅基光電子DP Rx的框圖，(b)顯示了實(shí)際硅片的照片。

4 {, H; M3 r" v硅基光電子DP Rx包括：
- \% z! R' g" |) `, i" a

偏振解復(fù)用器

矢量化偏振態(tài)(SOP)監(jiān)測(cè)器

兩個(gè)高速硅鍺光電探測(cè)器(PD)

偏振解復(fù)用器對(duì)偏振恢復(fù)非常重要。它由以下部分組成：
& k  O( _2 ^8 h! m

偏振分束旋轉(zhuǎn)器(PBSR)

用于連續(xù)跟蹤的無(wú)盡控制級(jí)

兩個(gè)級(jí)聯(lián)的馬赫-曾德干涉儀(MZI)，作為單一偏振控制器
0 `0 b9 }) }3 ~, E  ]2 l; f
- G, r% W! y' h! f0 M通過(guò)光學(xué)混合器和低速PD實(shí)現(xiàn)的矢量化SOP監(jiān)測(cè)器提供了完全表征采樣點(diǎn)SOP的矢量化輸出信號(hào)。這些信息對(duì)指導(dǎo)偏振恢復(fù)算法非常重要。
$ ?; d$ C- z$ v' z0 z9 a( J
0 k6 V+ e+ E* a& H偏振恢復(fù)算法
% w5 p9 e3 }( b該DP-IMDD系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是穩(wěn)健、快速且無(wú)盡的偏振跟蹤算法。與之前依賴盲搜索或爬山算法的方法不同，該系統(tǒng)使用矢量化SOP監(jiān)測(cè)器進(jìn)行偏振解復(fù)用。

該算法通過(guò)在斯托克斯空間中表示矢量化SOP監(jiān)測(cè)器輸出來(lái)工作。調(diào)制數(shù)據(jù)的瞬時(shí)監(jiān)測(cè)SOP形成一條通過(guò)原點(diǎn)并指向泊恩加球面上兩個(gè)相反（正交）點(diǎn)的直線。通過(guò)分析瞬時(shí)SOP的協(xié)方差矩陣，算法可以確定最大方差方向，這對(duì)應(yīng)于矢量化監(jiān)測(cè)器SOP。

3 h* e: K- P/ R" f: {- x$ f利用這些信息，算法可以計(jì)算出實(shí)現(xiàn)偏振解復(fù)用所需的控制相位（φ和θ）。這些相位的閉式解使得對(duì)任何隨機(jī)輸入SOP都能進(jìn)行一步偏振恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的偏振跟蹤。

" U! y" h. m$ a傳輸實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證DP-IMDD系統(tǒng)的有效性，使用DP EML TOSA和硅基光電子DP Rx進(jìn)行了傳輸實(shí)驗(yàn)。

6 f( g3 y( |  D+ b7 J! u圖4顯示了1km 2x106.25Gbps DP傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)置。
1 z. j) M2 F0 x3 H! L& a( E3 d
( j! `/ h2 o$ ]- w8 k+ y實(shí)驗(yàn)包括：
* Y8 D" g% S+ X3 p* ?

連接到DSP評(píng)估板的DP EML TOSA

1km SMF傳輸鏈路

用于產(chǎn)生隨機(jī)偏振旋轉(zhuǎn)的偏振擾動(dòng)器

用于損耗補(bǔ)償?shù)膿界捁饫w放大器(PDFA)和可變光衰減器(VOA)

連接到DSP評(píng)估板的硅基光電子DP Rx，用于實(shí)時(shí)比特誤碼率(BER)采集
" u, ?- d* Z* I% H# h+ X0 o

圖5比較了單偏振(SP)和DP設(shè)置之間的PD靈敏度。
/ m/ B( h5 Q8 ~' B' z  m& C8 ]
; u" l) L$ ?+ ?" l: V5 i! }結(jié)果顯示：
: `* B. j6 \4 K1 y# K# j7 A

SP和DP均達(dá)到約10?? BER底

在2.4x10?? KP4 FEC閾值處，靈敏度約為-8dBm

SP和DP之間的性能差異可以忽略，證明了DP-IMDD方案的可行性
3 m. C* ?, G: r. ~/ c+ t( f7 o
: ?: ^$ `* S# y2 W
. d5 q, o6 G  q1 `* x圖6顯示了動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下兩個(gè)Rx通道隨時(shí)間變化的BER。
; W) Q% }2 J  B3 Q1 Y. N# U7 Y
7 Z0 a& p9 U& w8 [- S' i實(shí)驗(yàn)表明：

兩個(gè)通道的LSB和MSB均保持約10??級(jí)別的穩(wěn)定BER

在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)情況下成功解復(fù)用2 x 106.25-Gbps DP信號(hào)
# O; J3 g$ V7 b6 b1 V) @& k: S1 {. l
4 E5 b/ D3 z8 S' x5 K# Z
  u1 ?! g, N: p8 ~圖7顯示了控制相位和矢量化SOP監(jiān)測(cè)器的動(dòng)態(tài)采樣。
0 n- @  T0 R8 |4 \0 y3 M
結(jié)果表明：
2 T; |8 b& J% f7 R

控制相位能有效跟蹤輸入SOP的變化

矢量化SOP保持相對(duì)穩(wěn)定
8 K2 u: E7 N% \. {
( A0 S! e+ h3 r+ G# N5 A結(jié)論
本文介紹的DP-IMDD系統(tǒng)為增加數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳輸容量提供了有效的解決方案。通過(guò)采用DP EML TOSA作為發(fā)射機(jī)和硅基光電子集成芯片作為接收機(jī)，結(jié)合創(chuàng)新的偏振恢復(fù)算法，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了2 x 106.25-Gbps雙偏振傳輸。
% E! I3 s9 j/ a
這種方法為使用現(xiàn)有SERDES技術(shù)實(shí)現(xiàn)400-Gbps IMDD短距離傳輸提供了可能。隨著數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展并要求更高的傳輸速度，DP-IMDD系統(tǒng)為滿足這些不斷增長(zhǎng)的需求提供了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。
2 v& S/ j/ I3 v  f) A
# G1 v2 r! R( y# n+ f8 \" u參考文獻(xiàn)
[1] Y. Zhao, C. Doerr, F. G. Vanani, M. Takeshita, and H. Kamisugi, "Dual-polarization IMDD System for Data-Center Connectivity," in ECOC 2024

END


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. g; V; v; c9 j/ _7 N; W8 }+ ?深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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