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)計自動化

引言
3 b8 E) N* ^5 Q1 `( T3 J隨著數(shù)據(jù)中心技術(shù)的快速發(fā)展，對高速傳輸?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(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，重點介紹其在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的實現(xiàn)。
7 q6 l3 O, p' J$ Z: O/ V& W
DP-IMDD系統(tǒng)的核心理念是通過復(fù)用兩個偏振來將單模光纖(SMF)的容量翻倍。與采用相干檢測系統(tǒng)不同，IMDD系統(tǒng)必須在光電檢測之前進(jìn)行主動偏振恢復(fù)。這是因為在平方律檢測過程中，光學(xué)相位信息會丟失[1]。
4 j( K: l4 d3 {- d4 G
# R: `! q" K6 L% G/ C
DP-IMDD系統(tǒng)的關(guān)鍵組件
, o3 c% m6 i* d+ [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EML，創(chuàng)建了一個雙偏振發(fā)射機(jī)。

圖1(a)顯示了DP EML TOSA的示意圖，圖1(b)展示了實際器件的照片。

DP EML TOSA包括以下部分：
, N; U% x  B/ M2 D* b3 B  Y

兩個安裝在獨立熱電制冷器(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& v- C* H5 U) h. u
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：
7 T4 A( a" Q% |; |9 ^8 c2 G. ^

激光器閾值電流約12mA

80mA驅(qū)動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EML之間的波長間隔為1.3nm

偏振消光比(PER)超過25dB
4 P  l" ?# i8 m8 |3 h  m
9 N4 U+ h- {7 B; M+ U3 a
圖2顯示了兩個輸出通道的光譜，展示了PER與波長間隔的關(guān)系。也分別展示了每個偏振的均衡106.25Gbps眼圖。
0 b! _2 G+ }, V! {
6 t! G  X9 I- W- E8 ^+ @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）包含幾個關(guān)鍵元素：
& _6 q8 E/ O. C) @
圖3：(a)說明了硅基光電子DP Rx的框圖，(b)顯示了實際硅片的照片。

硅基光電子DP Rx包括：

偏振解復(fù)用器

矢量化偏振態(tài)(SOP)監(jiān)測器

兩個高速硅鍺光電探測器(PD)
, c" h; @! A# g/ R; {
" q# D  u+ Z8 I偏振解復(fù)用器對偏振恢復(fù)非常重要。它由以下部分組成：
  x3 x% `, i9 C# K3 f$ Y6 a

偏振分束旋轉(zhuǎn)器(PBSR)

用于連續(xù)跟蹤的無盡控制級

兩個級聯(lián)的馬赫-曾德干涉儀(MZI)，作為單一偏振控制器
2 w$ l. H* ]9 S1 q7 y' ~& n
通過光學(xué)混合器和低速PD實現(xiàn)的矢量化SOP監(jiān)測器提供了完全表征采樣點SOP的矢量化輸出信號。這些信息對指導(dǎo)偏振恢復(fù)算法非常重要。

偏振恢復(fù)算法
該DP-IMDD系統(tǒng)的一個關(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)測器進(jìn)行偏振解復(fù)用。
5 V' q. F  h: E3 c" ^% H
0 q. d+ |0 u' O8 O2 X9 X1 m# `該算法通過在斯托克斯空間中表示矢量化SOP監(jiān)測器輸出來工作。調(diào)制數(shù)據(jù)的瞬時監(jiān)測SOP形成一條通過原點并指向泊恩加球面上兩個相反（正交）點的直線。通過分析瞬時SOP的協(xié)方差矩陣，算法可以確定最大方差方向，這對應(yīng)于矢量化監(jiān)測器SOP。

利用這些信息，算法可以計算出實現(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任何隨機(jī)輸入SOP都能進(jìn)行一步偏振恢復(fù)，從而實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的偏振跟蹤。

4 U5 n7 [3 x* x6 i傳輸實驗
為了驗證DP-IMDD系統(tǒng)的有效性，使用DP EML TOSA和硅基光電子DP Rx進(jìn)行了傳輸實驗。

圖4顯示了1km 2x106.25Gbps DP傳輸?shù)膶嶒炘O(shè)置。

" w  C$ V" N; a5 o實驗包括：
9 z& b. V. P* l$ V( ^3 {5 E9 P3 R

連接到DSP評估板的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評估板的硅基光電子DP Rx，用于實時比特誤碼率(BER)采集


9 Z" i; E# g$ z/ K# u0 i- r圖5比較了單偏振(SP)和DP設(shè)置之間的PD靈敏度。
, P1 [9 Y' \1 u6 C/ S
結(jié)果顯示：
$ c; ]# k( v9 u7 K& f

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

$ K  M& M; v; Z( _) x
2 E, i, W2 F% L6 p. b" j  `圖6顯示了動態(tài)擾動下兩個Rx通道隨時間變化的BER。

實驗表明：
# t2 I( R, |' t* P3 W. U$ P

兩個通道的LSB和MSB均保持約10??級別的穩(wěn)定BER

在動態(tài)擾動情況下成功解復(fù)用2 x 106.25-Gbps DP信號

' q* _; r2 ]2 q/ ]3 a& u7 [
4 {' o. y% z5 p圖7顯示了控制相位和矢量化SOP監(jiān)測器的動態(tài)采樣。
: y+ e2 W4 W( k7 W* E. m2 z6 b; I
' F  W" E, }0 o! R' F; t% U; n結(jié)果表明：
0 N9 ^+ h2 J% r6 C; O. N, g6 c

控制相位能有效跟蹤輸入SOP的變化

矢量化SOP保持相對穩(wěn)定

1 V& K$ h2 J. h5 b4 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)成功實現(xiàn)了2 x 106.25-Gbps雙偏振傳輸。

$ V, ?& z4 f) q& D這種方法為使用現(xiàn)有SERDES技術(shù)實現(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。
$ ]* c$ l9 ~# D0 A5 f8 M
+ d. K# N/ {4 J7 l7 K參考文獻(xiàn)
4 e1 ]: `4 ]- Q: y4 H# b[1] Y. Zhao, C. Doerr, F. G. Vanani, M. Takeshita, and H. Kamisugi, "Dual-polarization IMDD System for Data-Center Connectivity," in ECOC 2024
$ B8 d1 V4 c7 }3 U8 H
END
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; `1 \6 d% S! e& d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)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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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