采用分段電極馬赫-曾德爾調(diào)制器的PAM-4發(fā)射器

逍遙設(shè)計自動化

引言
在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心通信中，在保持能源效率的同時提高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求推動了光電子技術(shù)的重大創(chuàng)新。PAM-4（4級脈沖幅度調(diào)制）信號技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的非歸零(NRZ)信號技術(shù)。本文探討了使用分段電極馬赫-曾德爾調(diào)制器(SE-MZM)的先進實現(xiàn)方法，重點關(guān)注設(shè)計考慮因素和制造挑戰(zhàn)[1]。
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4 t$ g( {! z+ @3 D+ O  J4 _: t, {: l! U, JPAM-4信號技術(shù)的優(yōu)勢
PAM-4信號技術(shù)在光通信領(lǐng)域代表著重要進展，將兩個比特編碼為四個強度級別。與傳統(tǒng)的NRZ信號相比，這種方法有效地將數(shù)據(jù)承載能力提高了一倍，同時只需要一半的帶寬。例如，使用PAM-4傳輸40G信號只需要20 GHz帶寬的器件，對應的符號速率為20 GBaud。
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圖1：使用SE-MZM的PAM-4發(fā)射器示意圖，顯示了關(guān)鍵組件及其互連。

/ u! C/ D, y  \* ?* h3 L傳統(tǒng)的PAM-4發(fā)射器實現(xiàn)方法通常使用由電數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動的馬赫-曾德爾調(diào)制器和電驅(qū)動器。然而，這種傳統(tǒng)方法面臨著一些挑戰(zhàn)，包括能源效率低和占用面積大。這些限制促使了更具創(chuàng)新性解決方案的發(fā)展。
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分段電極設(shè)計實現(xiàn)
更高效的方法采用分段相移器，利用其固有的DAC功能。這種設(shè)計消除了對獨立DAC組件的需求，提高了能源效率并降低了復雜性。
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圖2：SE-MZM PAM-4發(fā)射器輸出信號（左）和頻譜（右），展示了清晰的四級信號生成和頻譜特性。

" V, B6 `5 e8 Q3 B- r' I% v與傳統(tǒng)的行波馬赫-曾德爾調(diào)制器(TW-MZM)相比，分段方法具有多個主要優(yōu)勢。雖然傳統(tǒng)TW-MZM可以通過較長的相互作用長度來降低驅(qū)動電壓，但會導致射頻損耗增加以及射頻信號與光信號之間的速度不匹配。分段設(shè)計通過將速度匹配轉(zhuǎn)移到電子定時線路來克服這些限制，這些線路控制電信號的施加時序以匹配段間的光延遲。

圖3：發(fā)射器輸出的光眼圖，顯示了PAM-4四個級別之間的清晰分離。
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制造考慮因素和挑戰(zhàn)
基于SE-MZM的PAM-4發(fā)射器的實現(xiàn)需要注意幾個可能影響性能的制造變量：
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* T% P: N1 i: Y6 A& J- `圖4：使用SE-MZM的PAM-2發(fā)射器示意圖及相應的光眼圖，顯示了段長偏差變化的影響。

7 e( \+ J+ n  ~- i; o1 g段間距離偏差：制造過程中的變化可能導致電極段之間間距的偏差。這些變化直接影響調(diào)制器的偏置和帶寬特性。仿真結(jié)果表明，較大的偏差會導致眼圖開口變差和信號質(zhì)量下降。
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6 b% g3 k2 ~6 a7 ~1 D1 b圖5：驅(qū)動器時延影響的示意圖和隨時延增加而導致性能下降的眼圖。
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. b$ P' M% [; e0 Z2 ~  V# V驅(qū)動器時延效應：驅(qū)動不同段的電信號的時序?qū)φ�常運行極為關(guān)鍵。芯片放置和銅走線長度的制造變化可能導致時序不匹配，影響射頻信號與光信號之間的同步。


圖6：顯示驅(qū)動時延與誤碼率關(guān)系的BER分析結(jié)果，以及測試配置的示意圖。

電容充電考慮：相移器電極的R-C響應時間顯著影響發(fā)射器的帶寬。結(jié)區(qū)電容和封裝寄生效應都會影響總體電容充電和R-C時間限制。


* S: @4 |" Q  V' r1 R) ]圖7：電響應模型配置界面和顯示不同R-C響應時間影響的眼圖。

* [* V3 J1 o" L$ t; j性能評估和優(yōu)化
為確保最佳性能，在設(shè)計和制造過程中需要監(jiān)控和優(yōu)化幾個關(guān)鍵指標。TDECQ（發(fā)射器和色散眼圖閉合四進制）算法提供了對發(fā)射器性能的全面評估。這種測量考慮了符號誤碼率(SER)和噪聲特性等因素，幫助設(shè)計人員評估和優(yōu)化其實現(xiàn)方案。
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2 ^7 X/ d! j" t8 Y' P& S1 r盡管在制造和實現(xiàn)方面存在挑戰(zhàn)，基于SE-MZM的PAM-4發(fā)射器在能源效率和占用面積方面具有顯著優(yōu)勢。成功實現(xiàn)這些器件需要仔細關(guān)注制造公差和設(shè)計參數(shù)，并輔以全面的仿真和測試方法。

使用分段電極設(shè)計的PAM-4技術(shù)的進步在光通信領(lǐng)域具有重要意義，特別是對于要求能源效率和高數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)中心應用。隨著制造工藝的不斷改進和設(shè)計工具變得更加先進，這些創(chuàng)新解決方案將獲得更廣泛的應用。

參考文獻
9 J: U. e# h/ i8 m/ ^% @[1] J. Patel and P. Mena, "Designing for manufacture: PAM-4 transmitters using segmented-electrode Mach-Zehnder modulators," PIC Magazine, vol. III, pp. 36-42, 2024.

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