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
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)。
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# w+ Y3 E7 f" RDP-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]。
; i- y7 E. A6 W+ A: N

DP-IMDD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
1. 雙偏振外調(diào)制激光器(EML) TOSA
. L* j' p% @# \9 b$ [- }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)。
( X6 Q4 k2 w. x
# K8 x5 Q8 y/ O2 w( z4 b/ n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。

& D& j0 S* ?7 @+ N5 s2 gDP 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

# X. U6 J7 d5 D" w5 \3 t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(zhǎng)間隔為1.3nm

偏振消光比(PER)超過25dB


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。
; w% c9 k% N' t3 ~. Y2 l- E$ e- T* s
2. 硅基光電子雙偏振接收機(jī)
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)說明了硅基光電子DP Rx的框圖，(b)顯示了實(shí)際硅片的照片。

. y* M$ F" o6 i* U$ V7 T3 b4 N. ?+ d硅基光電子DP Rx包括：
1 }" U: l% r" g- |, r6 Q

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)

8 X3 u$ z  K$ L" p% g0 J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：
/ @+ {7 X* |3 {( g3 ?1 g

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
) e) y5 E7 G, n+ G; T
+ _: H& N( P; j3 s, P1 N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。
, [- i$ e, T5 |; k) G# Y1 K
偏振恢復(fù)算法
" D- }3 v# u$ E8 p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。

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。

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。
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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)。

' h& u8 ~& r: o! F0 y' D圖4顯示了1km 2x106.25Gbps DP傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)置。
$ ~) o- f, S6 m. Y1 o
實(shí)驗(yàn)包括：
1 z  i$ q4 A1 q' t* U

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


圖5比較了單偏振(SP)和DP設(shè)置之間的PD靈敏度。

9 r1 H) N/ B% P2 J1 }結(jié)果顯示：

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
2 ?& y0 o: r) [: Z7 \0 |3 G

; g; y. `1 d9 Q" i+ p/ a0 J8 Y& e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。

實(shí)驗(yàn)表明：
# T( w- G. G8 G8 O& G/ P

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)
$ R0 C8 X: l% E; z% O$ ?. C
* |0 Y9 |: e7 G9 \% O* O
& @8 e+ `9 F! `. G" B5 X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。

結(jié)果表明：
4 a4 S; X  s& {: f

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
* [+ m8 n- |; L$ ]+ h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。

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。

參考文獻(xiàn)
0 D( r$ S- A, F7 Y9 Y[1] Y. Zhao, C. Doerr, F. G. Vanani, M. Takeshita, and H. Kamisugi, "Dual-polarization IMDD System for Data-Center Connectivity," in ECOC 2024
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