光学数模转换器改进光传输技术

逍遥设计自动化

引言
光学数模转换器(oDAC)的开发正在为高速光传输领域带来显著改进。这项创新技术在提供太比特级连接的同时，能够实现明显的功率效率提升。由帕特拉斯大学的Ioannis Tomkos教授和以色列理工学院的Moshe Nazarathy教授领导的这一研究，可能会改变数据中心及其他领域的光通信方式[1]。

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4 ]( |6 |7 N8 a- V' s+ p1 n0 T高速光传输的功率挑战
+ P! W6 Z+ y! R现代光接口不断突破数据速率的界限，当前系统目标是达到1.6太比特每秒(Tbps)，未来设计则瞄准3.2 Tbps。然而，这些不断提升的速度带来了设计复杂性和功耗方面的明显挑战。

3 V' s$ n/ w2 Z, B0 h# A随着数据速率的攀升，光系统必须采用复杂的编码方案，如用于数据中心的PAM-4(4级脉冲幅度调制)和用于长距离传输的16-QAM(16阶正交幅度调制)。这些先进的调制格式需要高性能的模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)和数字信号处理器(DSP)来克服传输中的各种损伤。

这些组件不断增加的复杂性推高了成本和功耗，对进一步发展形成了障碍。这一现实促使研究人员探索替代方法，例如将信号处理转移到光学领域，以减轻电子组件的负担。

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9 O/ e& E) @, ?3 `oDAC解决方案：架构与优势
6 y9 V4 p% C% d2 N光学数模转换器代表了一种新的方法转变。可以将其视为高速光调制器或多路光幅度数据流的多路复用器。其主要创新在于通过增加光学组件来简化电气驱动器，从而为1.6太比特光发射器实现了高达40%的功率减少。
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图1：传统相干光发射器(左)与oDAC架构(右)的比较，展示了oDAC设计中的可变分路器和合并器排列。
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7 `5 w6 b. v+ E. ~8 `; S9 V2 U4 ooDAC的架构与传统相干发射器有明显不同。虽然两者都使用激光源和马赫-曾德尔调制器(MZM)，但oDAC在输入和输出阶段采用了可变分路器和合并器，配有相同的马赫-曾德尔调制器，且没有在相干发射器中通常使用的相移器。

oDAC的一个显著优势在于能够充分驱动调制器，避免了传统系统中出现的"调制器退避损耗"。在传统设置中，马赫-曾德尔调制器的非线性正弦形响应将操作限制在其传递函数的线性区域内。
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: n4 q* m9 y8 i) D! z  I' h! j9 ?/ s图2：传递函数图展示了传统系统仅使用调制器的线性区域，而oDAC利用调制器的全部潜能。

. q* m. G8 a' K4 R3 n# x此外，oDAC可以使用更简单的驱动芯片实现更高阶的调制格式。例如，两个标准PAM-4驱动器可以组合产生PAM-16信号，而使用两个oDAC PAM-16可以生成PAM-256，每个符号分别携带4位或8位。这一功能特别有价值，因为正如Tomkos教授指出的，目前不存在商用电子PAM-16驱动器。

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利用PAM-4驱动器扩展数据速率
% u; A' I" w+ m5 U$ uoDAC通过巧妙的组合技术实现了其优异性能。连接到每个马赫-曾德尔调制器臂的PAM-4驱动器产生一个四级"阶梯"波形。通过将oDAC的分路比调整为4:1并对输出进行求和，系统可以产生16个不同的级别。

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图3：图表展示了两个PAM-4信号如何通过oDAC架构组合创建PAM-16信号。

这种方法有效地将两个简单信号以多种组合方式堆叠，创建出更复杂的信号。对于PAM-16，一个调制器处理0、1、2和3级，而另一个调制器以不同比例缩放(例如0、4、8、12)，确保总和从0到15。
2 a8 @  s2 h1 m) @其挑战在于实现精确的同相合并和电平控制，以防止两个马赫-曾德尔臂之间产生差异，这需要精心的电路控制。正如Tomkos解释的："一般而言，每个可编程光电子线路，无论用于何种应用，都需要对实际线路进行参数控制...以便在温度变化、振动或任何其他环境变化时不会偏离。"

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实际实施与未来前景
6 A8 @  ]2 l! _( P5 O首个概念验证oDAC光电子集成芯片已经展示了令人印象深刻的性能，在欧洲Proteus计划中通过单一波长发送了250千兆比特每秒。ETH-Zürich的博士后研究员David Moor正参与Flex-Scale项目并担任Emitera(将oDAC推向市场的初创公司)的光电子集成芯片设计总监，他一直在实验室条件下测试这一原型。

; m& h+ H$ K- V, x  S: {! Z4 G, n; l6 A当前测试表明，要通过单一波长发送500 Gbps，需要使用两臂oDAC，每个PAM4驱动的臂以120千兆波特符号率运行，相当于250 Gbps。在同相和正交相干结构中使用两个oDAC可将数据速率翻倍至1 Tbps。更进一步，在相干发射器配置中采用一对PAM-16 oDAC(每个由PAM-4信号驱动)可将数据速率提升至1.6 Tbps。针对3.2太比特的未来实施需要将符号率提高到240 GBd。
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图4：图表展示不同oDAC配置如何实现从500 Gbps到3.2 Tbps的数据速率提升。
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虽然实验室测试显示了良好的稳定性，但环境变化可能会影响性能，这突显了商业应用需要强健控制系统的必要性。Nazarathy教授与帕特拉斯大学的Birbas教授及其团队正在开发基于FPGA的控制系统，以确保在实际条件下的最佳运行。第二代oDAC光电子集成芯片设计和控制系统预计将在六个月内完成。
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这项技术特别适用于校园之间的"轻相干"跨距和数据中心内部使用，理想范围可达20或40公里。计划于2026年推向市场的oDAC有望在光通信领域提供新的方法，平衡高数据速率与改进的功率效率。

, h* c$ W1 E6 |参考文献
[1] "oDAC: Boosting data centre speeds with less power," Gazettabyte, Apr. 2, 2025. [Online]. Available: https://www.gazettabyte.com/home/2025/4/2/odac-boosting-data-centre-speeds-with-less-power.html.[Accessed: Apr. 19, 2025].
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