双偏振IMDD系统推进数据中心连接技术

逍遥设计自动化

引言
/ ~& H' h" q7 D/ t. n随着数据中心技术的快速发展，对高速传输的需求持续增长。光电子集成正引领着数据中心内部和数据中心之间连接技术的下一代转型。双偏振(DP)强度调制直接检测(IMDD)系统是满足这些需求的有效方法。本文将探讨DP-IMDD系统的关键组件和概念，重点介绍其在数据中心应用中的实现。

# W- i& }$ C7 ~- k* u& ZDP-IMDD系统的核心理念是通过复用两个偏振来将单模光纤(SMF)的容量翻倍。与采用相干检测系统不同，IMDD系统必须在光电检测之前进行主动偏振恢复。这是因为在平方律检测过程中，光学相位信息会丢失[1]。

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) \  V+ X% p" M/ h, s( fDP-IMDD系统的关键组件
1. 双偏振外调制激光器(EML) TOSA
+ z- H, H% r4 C9 n; U* U发射机TOSA是DP-IMDD系统的关键组件。它集成了两个EML，创建了一个双偏振发射机。
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图1(a)显示了DP EML TOSA的示意图，图1(b)展示了实际器件的照片。
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DP EML TOSA包括以下部分：
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两个安装在独立热电制冷器(TEC)上的EML

用于温度和功率控制的热敏电阻和监测光电二极管

空间偏振复用组件（准直器、隔离器、半波片和偏振合束器）

用于电气连接的柔性印刷电路(FPC)

带单模光纤(SMF)的LC接口用于光学输出

器件的紧凑尺寸（26.8 x 6.7 x 5.3 mm3）使其适用于高密度应用。TOSA展现出优异的性能特征，包括：

激光器阈值电流约12mA

80mA驱动电流下的光纤输出功率为5mW

-1V至-3V反向偏置下，直流消光比超过10dB

两个EML之间的波长间隔为1.3nm

偏振消光比(PER)超过25dB
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- ?" G" n7 Q8 b0 ]图2显示了两个输出通道的光谱，展示了PER与波长间隔的关系。也分别展示了每个偏振的均衡106.25Gbps眼图。
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* }" k" b: S. u9 H2. 硅基光电子双偏振接收机
DP-IMDD系统的接收端采用单片集成的硅基光电子芯片。这种紧凑的解决方案（5.8 x 1.5 mm2）包含几个关键元素：

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图3：(a)说明了硅基光电子DP Rx的框图，(b)显示了实际硅片的照片。
6 X' y# X8 ~5 P/ X9 ^
) n; G# D2 f) N硅基光电子DP Rx包括：

偏振解复用器

矢量化偏振态(SOP)监测器

两个高速硅锗光电探测器(PD)

偏振解复用器对偏振恢复非常重要。它由以下部分组成：
9 R- h5 u% F% @

偏振分束旋转器(PBSR)

用于连续跟踪的无尽控制级

两个级联的马赫-曾德干涉仪(MZI)，作为单一偏振控制器

: x. H! B- A# T7 ~& U+ t) n" U通过光学混合器和低速PD实现的矢量化SOP监测器提供了完全表征采样点SOP的矢量化输出信号。这些信息对指导偏振恢复算法非常重要。

6 e2 V3 j4 e- S3 V) R偏振恢复算法
1 O2 [, c2 e7 I# K8 {4 J6 m该DP-IMDD系统的一个关键创新是稳健、快速且无尽的偏振跟踪算法。与之前依赖盲搜索或爬山算法的方法不同，该系统使用矢量化SOP监测器进行偏振解复用。

该算法通过在斯托克斯空间中表示矢量化SOP监测器输出来工作。调制数据的瞬时监测SOP形成一条通过原点并指向泊恩加球面上两个相反（正交）点的直线。通过分析瞬时SOP的协方差矩阵，算法可以确定最大方差方向，这对应于矢量化监测器SOP。
) T# Q! k8 X' G& g3 i1 h. Z
; A( W/ x; W! ^) O利用这些信息，算法可以计算出实现偏振解复用所需的控制相位（φ和θ）。这些相位的闭式解使得对任何随机输入SOP都能进行一步偏振恢复，从而实现快速准确的偏振跟踪。
) Y5 I* T/ s% C5 f! D( M
2 O$ A. `" }- c1 t; W% D传输实验
为了验证DP-IMDD系统的有效性，使用DP EML TOSA和硅基光电子DP Rx进行了传输实验。
8 @3 Z3 C1 z6 U* b+ X4 }/ F  L

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图4显示了1km 2x106.25Gbps DP传输的实验设置。

: x7 h. C4 T, A( o/ i: J' C1 I  j实验包括：

连接到DSP评估板的DP EML TOSA

1km SMF传输链路

用于产生随机偏振旋转的偏振扰动器

用于损耗补偿的掺镨光纤放大器(PDFA)和可变光衰减器(VOA)

连接到DSP评估板的硅基光电子DP Rx，用于实时比特误码率(BER)采集

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图5比较了单偏振(SP)和DP设置之间的PD灵敏度。

结果显示：

SP和DP均达到约10?? BER底

在2.4x10?? KP4 FEC阈值处，灵敏度约为-8dBm

SP和DP之间的性能差异可以忽略，证明了DP-IMDD方案的可行性
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  G# J. ?5 t# g

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! @6 h5 t5 v* M1 s( N( ]; A图6显示了动态扰动下两个Rx通道随时间变化的BER。
0 l6 l5 l) L4 _! I6 i% |
& m) ?, T& U& F- l0 p8 H实验表明：
# Z1 A/ b8 f) x+ ?

两个通道的LSB和MSB均保持约10??级别的稳定BER

在动态扰动情况下成功解复用2 x 106.25-Gbps DP信号
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# f% V* e- P1 s! V0 ~4 `, S

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8 b/ m6 n& b% \+ Q# C图7显示了控制相位和矢量化SOP监测器的动态采样。

结果表明：
# a, }1 i, T' D* K1 N3 v7 H/ l

控制相位能有效跟踪输入SOP的变化

矢量化SOP保持相对稳定

; [9 q* C: I/ C; q0 D! R结论
本文介绍的DP-IMDD系统为增加数据中心应用中的数据传输容量提供了有效的解决方案。通过采用DP EML TOSA作为发射机和硅基光电子集成芯片作为接收机，结合创新的偏振恢复算法，该系统成功实现了2 x 106.25-Gbps双偏振传输。

这种方法为使用现有SERDES技术实现400-Gbps IMDD短距离传输提供了可能。随着数据中心不断发展并要求更高的传输速度，DP-IMDD系统为满足这些不断增长的需求提供了经济高效的解决方案。
" ?/ H* H7 o4 U8 D
参考文献
9 m! `0 o* n9 t: B5 q; _: G- U* ?[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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