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(jì)自動(dòng)化 · 發(fā)表于 2024-12-9 08:00:00

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(shí)提高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求推動(dòng)了光電子技術(shù)的重大創(chuàng)新。PAM-4（4級(jí)脈沖幅度調(diào)制）信號(hào)技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的非歸零(NRZ)信號(hào)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(jìn)實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)考慮因素和制造挑戰(zhàn)[1]。

PAM-4信號(hào)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
PAM-4信號(hào)技術(shù)在光通信領(lǐng)域代表著重要進(jìn)展，將兩個(gè)比特編碼為四個(gè)強(qiáng)度級(jí)別。與傳統(tǒng)的NRZ信號(hào)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(shí)只需要一半的帶寬。例如，使用PAM-4傳輸40G信號(hào)只需要20 GHz帶寬的器件，對(duì)應(yīng)的符號(hào)速率為20 GBaud。

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。

傳統(tǒng)的PAM-4發(fā)射器實(shí)現(xiàn)方法通常使用由電數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動(dòng)的馬赫-曾德爾調(diào)制器和電驅(qū)動(dòng)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。

分段電極設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)消除了對(duì)獨(dú)立DAC組件的需求，提高了能源效率并降低了復(fù)雜性。

圖2：SE-MZM PAM-4發(fā)射器輸出信號(hào)（左）和頻譜（右），展示了清晰的四級(jí)信號(hào)生成和頻譜特性。

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(gè)主要優(yōu)勢(shì)。雖然傳統(tǒng)TW-MZM可以通過(guò)較長(zhǎng)的相互作用長(zhǎng)度來(lái)降低驅(qū)動(dòng)電壓，但會(huì)導(dǎo)致射頻損耗增加以及射頻信號(hào)與光信號(hào)之間的速度不匹配。分段設(shè)計(jì)通過(guò)將速度匹配轉(zhuǎn)移到電子定時(shí)線路來(lái)克服這些限制，這些線路控制電信號(hào)的施加時(shí)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(gè)級(jí)別之間的清晰分離。

制造考慮因素和挑戰(zhàn)
基于SE-MZM的PAM-4發(fā)射器的實(shí)現(xiàn)需要注意幾個(gè)可能影響性能的制造變量：

圖4：使用SE-MZM的PAM-2發(fā)射器示意圖及相應(yīng)的光眼圖，顯示了段長(zhǎng)偏差變化的影響。

段間距離偏差：制造過(guò)程中的變化可能導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致眼圖開口變差和信號(hào)質(zhì)量下降。

圖5：驅(qū)動(dòng)器時(shí)延影響的示意圖和隨時(shí)延增加而導(dǎo)致性能下降的眼圖。

驅(qū)動(dòng)器時(shí)延效應(yīng)：驅(qū)動(dòng)不同段的電信號(hào)的時(shí)序?qū)φ＿\(yùn)行極為關(guān)鍵。芯片放置和銅走線長(zhǎng)度的制造變化可能導(dǎo)致時(shí)序不匹配，影響射頻信號(hào)與光信號(hào)之間的同步。

圖6：顯示驅(qū)動(dòng)時(shí)延與誤碼率關(guān)系的BER分析結(jié)果，以及測(cè)試配置的示意圖。

電容充電考慮：相移器電極的R-C響應(yīng)時(shí)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(yīng)都會(huì)影響總體電容充電和R-C時(shí)間限制。

圖7：電響應(yīng)模型配置界面和顯示不同R-C響應(yīng)時(shí)間影響的眼圖。

性能評(píng)估和優(yōu)化
為確保最佳性能，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中需要監(jiān)控和優(yōu)化幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。TDECQ（發(fā)射器和色散眼圖閉合四進(jìn)制）算法提供了對(duì)發(fā)射器性能的全面評(píng)估。這種測(cè)量考慮了符號(hào)誤碼率(SER)和噪聲特性等因素，幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估和優(yōu)化其實(shí)現(xiàn)方案。

盡管在制造和實(shí)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(shì)。成功實(shí)現(xiàn)這些器件需要仔細(xì)關(guān)注制造公差和設(shè)計(jì)參數(shù)，并輔以全面的仿真和測(cè)試方法。

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

參考文獻(xiàn)
[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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