三分鐘了解相干光模塊芯片工作原理

  三分鐘了解相干光模塊芯片工作原理

  都說(shuō)芯片很重要，今天就花三分鐘帶您了解一下相干光模塊中主要光電芯片的作用吧。

圖1. 相干光模塊(單盤(pán))功能示意圖

  如圖1所示，相干光模塊中，在發(fā)射端，客戶(hù)則電信號經(jīng)過(guò)DSP芯片中的數字信號處理功能完成特定概率分布和QAM映射的符號，其中包括概率分布匹配、FEC編碼、QAM映射等功能，然后對基帶的數字QAM信號進(jìn)行信號頻譜整形和發(fā)端預補償過(guò)程以彌補光電器件的不理想特性。經(jīng)過(guò)這些DSP處理后，送入四通道的高速DAC，經(jīng)過(guò)數模轉換變成高速模擬帶寬電信號。經(jīng)過(guò)driver放大后加載到偏振復用光IQ調制器上完成上變頻，將基帶電信號加載到光載波的幅度、相位以及兩個(gè)正交的偏振態(tài)上，經(jīng)光模塊內部的光放大器/衰減器進(jìn)行光功率控制后輸出，即為產(chǎn)生的高速光信號。

  在接收端，高速光信號經(jīng)過(guò)ICR后在本振光的作用下進(jìn)行相干混頻和光電轉換后得到基帶電信號，然后經(jīng)過(guò)高速ADC采樣，實(shí)現電信號的數字化，然后借助于收端強大的DSP均衡能力對信號在線(xiàn)路和光收發(fā)模塊中所經(jīng)受的損傷進(jìn)行補償。收端DSP處理流程依次包括重采樣、光學(xué)前端補償、色散補償、時(shí)鐘恢復、偏振解復用自適應均衡、頻偏估計、相位恢復、星座圖解映射和FEC解碼。光場(chǎng)線(xiàn)性IQ調制和相干探測使得理論上接收端能夠恢復到光信號全部的光場(chǎng)信息，DSP處理能夠完美地補償光信號經(jīng)受的線(xiàn)性損傷，如通道間skew，IQ幅度和相位imbalance，光纖色度色散(CD)和偏振模色散(PMD)，頻偏及相噪等，甚至通過(guò)特殊的算法設計還可以一定程度上補償或均衡系統的非線(xiàn)性效應，如數字子載波復用可以增強對光纖非線(xiàn)性的容忍度。800G相干DSP芯片中的高性能SD-FEC算法則相比于早期100G DSP芯片中的HD-FEC有更好的糾錯能力，進(jìn)一步提升信號的OSNR容限，確保在合適的應用場(chǎng)景中實(shí)現無(wú)誤碼傳輸。

  進(jìn)一步地，在光模塊內部或外部單盤(pán)上，通過(guò)Gearbox或Framer芯片，實(shí)現線(xiàn)路側電信號與客戶(hù)側電信號的對接，完成不同的功能，如轉發(fā)(transponder)復接(muxponder)。當然，光模塊中還需要一些其它的輔助芯片，如電源芯片、時(shí)鐘芯片以及FPGA控制芯片和溫度監測芯片等。另外，DSP芯片中應該還具有SerDes功能以便更好地與客戶(hù)側信號互聯(lián)。

  總的來(lái)講，相干光模塊中的核心芯片可以分為兩大類(lèi)：光芯片，包括雙偏IQ調制、激光器、相干光混頻器、平衡探測器;電芯片，包括調制器驅動(dòng)器(driver)，跨阻放大器(TIA),DSP芯片。從芯片制造技術(shù)上來(lái)講，現在電驅動(dòng)都是基于Si或SiGe材料用CMOS標準工藝流程做的，核心部分DSP芯片由于功耗和性能的要求，需要采用比較先進(jìn)的7nm節點(diǎn)工藝制程。

表1. 基于不同材料制作不同器件的性能對比

  而光芯片則可以分為兩大類(lèi)，一是基于III-V族材料如InP的，包括激光器，調制器，探測器(GaAs)。二是基于Si基的，包括Si基調制器，相干接收機等。雖然近幾年隨著(zhù)器件集成化和共封裝要求的提高，SiP成為學(xué)術(shù)熱門(mén)和產(chǎn)業(yè)新寵，但是本質(zhì)上講對于相干光模塊來(lái)說(shuō)，InP vs SiP誰(shuí)好誰(shuí)壞并沒(méi)有定論?？偟膩?lái)說(shuō)，兩者各有所長(cháng)，如表1所示。

       InP平臺更擅長(cháng)做有源器件，而SiP在無(wú)源器件上表現更出色。SiP在產(chǎn)量和成本上占優(yōu)勢，但在帶寬和性能上可能并不如InP。InP平臺可以把激光器與CDM、ICR集成/封裝起來(lái)，而SiP可以把DSP和不帶激光器的PIC集成/共封裝在一起。SiP有很多優(yōu)點(diǎn)，但其不可忽視的缺點(diǎn)有二：一是與光纖耦合損耗大，二是本身不能發(fā)光（最近MIT博士做的LED距離實(shí)用光通信應用尚早）。與其說(shuō)誰(shuí)取代誰(shuí)，不如說(shuō)有些時(shí)候可能需要考慮如何將兩者的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)，比如Si+X，混合集成，讓成本和性能都盡可能優(yōu)化。