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
0 s9 j; F! o# I- A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。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)。
- z. B# b3 C1 O- G, @; a
, R! r: x8 r& h4 E+ @: DDP-IMDD系統(tǒng)的核心理念是通過復(fù)用兩個(gè)偏振來將單模光纖(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)過程中，光學(xué)相位信息會(huì)丟失[1]。
) r; D$ c! w4 z$ `. R' o9 X% g

8 I) i7 U8 `9 y. @- SDP-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)。
0 f8 s. O$ o" \8 e1 M: U
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。

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

; ^) N" B3 J$ F. g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：

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10dB

兩個(gè)EML之間的波長間隔為1.3nm

偏振消光比(PER)超過25dB


2 A3 q) }- h) P) d2 Q. B1 `圖2顯示了兩個(gè)輸出通道的光譜，展示了PER與波長間隔的關(guān)系。也分別展示了每個(gè)偏振的均衡106.25Gbps眼圖。

0 l+ m5 j1 k* m5 P2. 硅基光電子雙偏振接收機(jī)
0 t8 U2 g- f  g0 D1 Z1 F- a! lDP-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：

7 Z% ~4 @. y+ }- O圖3：(a)說明了硅基光電子DP Rx的框圖，(b)顯示了實(shí)際硅片的照片。
4 |6 k5 g- O4 r9 B% C
硅基光電子DP Rx包括：
, h/ }! ?* l' `3 _; s

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：
8 T& u' {! j; k' C1 I4 D

偏振分束旋轉(zhuǎn)器(PBSR)

用于連續(xù)跟蹤的無盡控制級(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
7 t! [5 m! p3 ^
& F' y( E2 i) [. W通過光學(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。

' z9 `' G. }0 r  w( K偏振恢復(fù)算法
該DP-IMDD系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是穩(wěn)健、快速且無盡的偏振跟蹤算法。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。

4 G  _4 n$ B$ \6 ?8 V該算法通過在斯托克斯空間中表示矢量化SOP監(jiān)測(cè)器輸出來工作。調(diào)制數(shù)據(jù)的瞬時(shí)監(jiān)測(cè)SOP形成一條通過原點(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。
/ A0 W( U8 ?( L5 u1 {& O4 A
5 j0 k3 R9 m1 ~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。
( m% E! j3 R; e! k* Z. ]
, P; L' f+ }  @8 I3 p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)。

圖4顯示了1km 2x106.25Gbps DP傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)置。
% A% h; w7 f4 r
實(shí)驗(yàn)包括：
4 b- L: r; z+ t  ?% y0 H* `

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

9 b$ e+ V) X/ r4 Q
圖5比較了單偏振(SP)和DP設(shè)置之間的PD靈敏度。

結(jié)果顯示：
% h8 f9 @8 X2 t5 u! C1 w

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
- p- t2 I' C. P0 V& S& T$ v

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。
, H$ A" f- c- k. v# G, e
  ~5 l$ N+ O7 d  ]  |( f實(shí)驗(yàn)表明：
9 g0 z; \: F7 `. h# d2 G0 F$ ^

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)

, t0 Y" z2 A8 R9 f9 h$ q
& S$ V  }& A# b; m0 W4 S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。

/ H0 O2 K. A9 N1 C$ _$ q結(jié)果表明：
' f( _8 i0 f' [. ~7 t! U  K

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

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。
8 X, y. p7 V: D4 F: Z
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的需求提供了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

6 ^. E8 W% G2 ?5 A4 U0 A參考文獻(xiàn)
/ d. F" p& V, d[1] Y. Zhao, C. Doerr, F. G. Vanani, M. Takeshita, and H. Kamisugi, "Dual-polarization IMDD System for Data-Center Connectivity," in ECOC 2024
  K! a4 R$ t' l( L
END
! {/ p6 J. I+ _+ [8 T: H% r. O
( k+ P3 k& F8 d3 G
軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
( c2 m2 A1 M! m4 x8 H9 x
$ Z1 w  j. z; H歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
% b7 O, }( X1 `0 ~% P: ^* F7 K( W: C

  d( Y  \- o- p) h; o0 h# W& B


* L" e8 {) Q% U# @關(guān)注我們

: c9 d% z* T2 g6 f( k

: a* r) S/ z: \9 [ ) L4 S% _% D$ o& z- p0 }2 Q! w2 z

                     
& W5 Y& x2 p/ Z$ E


! q, N: w! X4 I8 M: O1 ]關(guān)于我們：
3 r. d0 f3 _& }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)。
; G1 X9 s5 f! w: Y. s! n( m
% K) \6 {/ }2 a  Xhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）