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)功能示意圖

  如圖1所示，相干光模塊中，在發(fā)射端，客戶則電信號經(jīng)過DSP芯片中的數(shù)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(shù)字QAM信號進(jìn)行信號頻譜整形和發(fā)端預(yù)補(bǔ)償過程以彌補(bǔ)光電器件的不理想特性。經(jīng)過這些DSP處理后，送入四通道的高速DAC，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換變成高速模擬帶寬電信號。經(jīng)過driver放大后加載到偏振復(fù)用光IQ調(diào)制器上完成上變頻，將基帶電信號加載到光載波的幅度、相位以及兩個正交的偏振態(tài)上，經(jīng)光模塊內(nèi)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ICR后在本振光的作用下進(jìn)行相干混頻和光電轉(zhuǎn)換后得到基帶電信號，然后經(jīng)過高速ADC采樣，實現(xiàn)電信號的數(shù)字化，然后借助于收端強(qiáng)大的DSP均衡能力對信號在線路和光收發(fā)模塊中所經(jīng)受的損傷進(jìn)行補(bǔ)償。收端DSP處理流程依次包括重采樣、光學(xué)前端補(bǔ)償、色散補(bǔ)償、時鐘恢復(fù)、偏振解復(fù)用自適應(yīng)均衡、頻偏估計、相位恢復(fù)、星座圖解映射和FEC解碼。光場線性IQ調(diào)制和相干探測使得理論上接收端能夠恢復(fù)到光信號全部的光場信息，DSP處理能夠完美地補(bǔ)償光信號經(jīng)受的線性損傷，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，甚至通過特殊的算法設(shè)計還可以一定程度上補(bǔ)償或均衡系統(tǒng)的非線性效應(yīng)，如數(shù)字子載波復(fù)用可以增強(qiáng)對光纖非線性的容忍度。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(yīng)用場景中實現(xiàn)無誤碼傳輸。

  進(jìn)一步地，在光模塊內(nèi)部或外部單盤上，通過Gearbox或Framer芯片，實現(xiàn)線路側(cè)電信號與客戶側(cè)電信號的對接，完成不同的功能，如轉(zhuǎn)發(fā)(transponder)復(fù)接(muxponder)。當(dāng)然，光模塊中還需要一些其它的輔助芯片，如電源芯片、時鐘芯片以及FPGA控制芯片和溫度監(jiān)測芯片等。另外，DSP芯片中應(yīng)該還具有SerDes功能以便更好地與客戶側(cè)信號互聯(lián)。

  總的來講，相干光模塊中的核心芯片可以分為兩大類：光芯片，包括雙偏I(xiàn)Q調(diào)制、激光器、相干光混頻器、平衡探測器;電芯片，包括調(diào)制器驅(qū)動器(driver)，跨阻放大器(TIA),DSP芯片。從芯片制造技術(shù)上來講，現(xiàn)在電驅(qū)動都是基于Si或SiGe材料用CMOS標(biāo)準(zhǔn)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(jié)點工藝制程。

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，一是基于III-V族材料如InP的，包括激光器，調(diào)制器，探測器(GaAs)。二是基于Si基的，包括Si基調(diào)制器，相干接收機(jī)等。雖然近幾年隨著器件集成化和共封裝要求的提高，SiP成為學(xué)術(shù)熱門和產(chǎn)業(yè)新寵，但是本質(zhì)上講對于相干光模塊來說，InP vs SiP誰好誰壞并沒有定論?？偟膩碚f，兩者各有所長，如表1所示。

       InP平臺更擅長做有源器件，而SiP在無源器件上表現(xiàn)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，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，但其不可忽視的缺點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距離實用光通信應(yīng)用尚早）。與其說誰取代誰，不如說有些時候可能需要考慮如何將兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，比如Si+X，混合集成，讓成本和性能都盡可能優(yōu)化。