针对200Gbit/s PAM4光收发模块的设计需求, 提出了一种基于四阶脉冲幅度调制(PAM4)、数据传输速率达200Gbit/s的光发射组件封装方案。该封装内部集成了4路PAM4电/光转换通道, 单通道数据传输速率为50Gbit/s。介绍了该200Gbit/s PAM4光发射组件的组成和技术难点, 然后对其中的50Gbit/s数据传输通道进行了建模、仿真和优化, 最后完成了样品的测试。测试结果表明: 样品的单通道PAM4数据速率可达50Gbit/s, 整体PAM4数据速率可达200Gbit/s, 满足光收发模块的设计需求。
光发射组件 光收发模块 200Gbit/s 200Gbit/s PAM4 PAM4 TOSA optical transceiver module
1 武汉邮电科学研究院，武汉 430074
2 Molex有限公司，武汉 430074
现如今处于第五代移动通信技术（5G）网络发展建设的重要阶段，前传网建设中带宽需求大、光模块成本高和铺设难度大等问题亟待解决。已知四通道小型可插拔（QSFP）封装具有4个通道，而传统的QSFP28 50 Gbit/s光模块设计方案只使用了其中的两个通道。文章选用比QSFP封装更小的小型可插拔（SFP）封装制成50 Gbit/s光模块，底面积减小了40.5%，体积减小了52.2%，功耗减少了42.1%，传输相同距离光模块成本减少了73.4%。使用4阶脉冲幅度调制（PAM4）技术实现25 Gbit/s光器件传输50 Gbit/s信号，达成了单波长速率翻倍。通过对比测试，常温发射机色散眼图闭合四相（TDECQ）减小了20.5%，灵敏度提高了0.6 dB，且其余各项参数均满足电气与电子工程师协会（IEEE）802.3cd中50 GE以太网的相关要求，能够稳定进行40 km信息传输。
4阶脉冲幅度调制 发射机色散眼图闭合四相 直调激光器 外调激光器 PAM4 TDECQ directly modulated lasers external modulated laser
1 空军工程大学,研究生院
2 空军工程大学,防空反导学院,西安 710000
3 国防科技大学计算机学院,长沙 410000
为了解决串行收发机在强信道衰减下误码过高的问题, 采用Duo-binary PAM4编码技术设计了一款低功耗的112 Gibit/s SerDes发射机。通过采用Duo-binary PAM4编码技术, 解决了高速PAM4(Pulse Amplitude Modulation-4)信号衰减过大的问题; 采用CMOS的1/4速架构的4∶1合路器, 降低了发射机的系统功耗; 采用阻抗校准电路, 提高了Duo-binary PAM4 发射机的线性度。该发射机采用CMOS 28 nm工艺设计, 0.9 V电压供电。仿真结果表明: 该发射机在20.9 dB强信道衰减下, 可以工作在112 Gibit/s, 功耗为1.9 pJ/bit, 且线性度达到88.3%。
Duo-binary PAM4编码 1/4速架构的4∶1合路器 阻抗校准电路 强信道 Duo-binary PAM4 coding 1/4 speed architecture for 4∶1MUX impedance calibration circuit strong channel
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Bimberg中德绿色光子学研究中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
4 柏林工业大学 固体物理研究所, 纳米光学中心, 德国 柏林 D-10623
5 空军装备部驻长春地区军事代表室, 吉林 长春 130033
垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有生产成本低、调制速率高等优点, 在光通信领域占有重要地位。随着数据需求量的飞速增长, 在长距离信息传输中, 具有低损耗的1 550 nm 波长的VCSEL引起了研究人员的兴趣。本文首先介绍了1 550 nm VCSEL的结构, 然后讨论了其带宽限制因素以及相应的改进方法, 接着从NRZ(不归零)调制和PAM4(四电平脉冲幅度)调制两方面对近年来高速1 550 nm VCSEL的研究进展进行了综述, 最后展望了高速1 550 nm VCSEL在未来光通信领域的发展和应用。
高速垂直腔面发射激光器(VCSEL) 不归零调制(NRZ) 四电平脉冲幅度调制(PAM4) 1 550 nm 1 550 nm high-speed vertical cavity surface emitting laser( non-return to zero modulation(NRZ) four-level pulse amplitude modulation(PAM4)
南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院, 南京 210023
基于65 nm CMOS工艺设计了一种56 Gbit/s PAM4 光接收机前端放大电路。前级为差分形式的跨阻放大器, 采用共栅前馈型结构降低输入阻抗, 并在输入端串联电感, 有效提高了跨阻放大器的带宽和灵敏度。后级放大器采用具有线性增益控制的多级级联可变增益放大器, 实现对输出摆幅的自动控制。输出缓冲器采用源极退化技术来拓展带宽。后仿真结果表明, 在100 fF光电二极管的寄生电容条件下, 所设计的光接收机前端电路的-3 dB带宽为24.4 GHz, 最大增益达到66 dBΩ, 等效输入噪声电流为17.0 pA·Hz-1/2。在输入电流变化及不同工艺角下, 输出眼图抖动较小且张开度良好。当电源电压为1.2 V时, 不同工艺角下的平均功耗为42.5 mW。
光接收机前端 跨阻放大器 自动增益控制 可变增益放大器 PAM4 PAM4 optical receiver front-end TIA AGC VGA
1 北京交通大学理学院光信息科学与技术研究所发光与光信息技术教育部重点实验室，北京 100044
2 中国科学院半导体研究所集成光电子学实验室，北京 101408
光通信系统中，高阶调制技术能以较低的电子速率实现更高的系统容量和更高的频谱效率，四阶脉冲幅度调制(PAM4)为以太网高速通信提供了一种有效可行的解决方案。为了满足集成化、低成本的需要，提出一种 PAM4传输方案，并利用商用 2.5GHz光器件通过双通道耦合的方法，实现了 5Gbit/sPAM4信号的传输实验方案; 并设计一种离线 DSP方案，对传输实验结果的数据进行优化。测试结果显示得到了较好的眼图，表明该方案应用于短距互联，可提高系统传输效率。
光模块 四阶脉冲幅度调制 光纤通信系统 数字信号处理 opticalmodule PAM4 opticalfibercommunicationsystem DSP
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Bimberg中德绿色光子学研究中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 青岛科技大学 数理学院, 山东 青岛 266062
4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
5 柏林工业大学固体物理研究所 纳米光学中心, 德国 柏林 D-10623
短距离光互联技术在云计算、5G通信、物联网技术等方面有重要的商业应用价值。基于高速垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)与多模光纤组成链路、采用直接调制检测、并使用如四电平脉冲幅度调制(Four-level pulse amplitude modulation,PAM4)等的高阶调制模式是现阶段短距离光互联链路方案的首选。本文首先介绍了短距离光互联应用的研究现状; 第二部分介绍了VCSEL的发展、结构以及动态参数; 第三部分介绍了PAM4调制方法及伴随使用的各种电子技术(均衡, 前向纠错, 脉冲整形); 第四部分介绍了提高单链路速率的波分复用(Wavelength division multiplexing,WDM)技术; 最后对以高速VCSEL、多模光纤、直接调制检测、PAM4调制以及波分复用技术的短距离光互联方案应用前景做了总结和展望。
垂直腔面发射激光器 高速调制 四电平脉冲幅度调制(PAM4) 波分复用 vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSEL) high-speed modulation four-level pulse amplitude modulation(PAM4) wavelength division multiplexing(WDM)
1 武汉邮电科学研究院, 武汉 430074
2 武汉光迅科技股份有限公司, 武汉 430205
设计了一种基于四阶脉冲幅度调制(PAM4)技术的50 Gbit/s 40 km QSFP28封装的长距离光传输模块, 以应对现代社会对通信传输的带宽、速率和容量等要求的不断增长。使用了PAM4技术以提高单波长的数据传输容量, 使得单波传输速率达到50 Gbit/s; 在模块的接收单元使用雪崩光电二极管(APD)作为光探测器, 使得模块对小光信号的接收能力得到提高; 测试结果表明, 模块的性能较为稳定, 优化了APD部分电路设计, 以获得更佳的传输效果, 能够满足50 GE 40 km传输。
四阶脉冲幅度调制 50 GE以太网 PAM4 QSFP28 QSFP28 50 GE APD APD 40 km 40 km
1 江苏亨通光网科技有限公司特种连接器事业部，江苏 苏州 215200
2 江苏亨通光纤科技有限公司, 江苏 苏州 215200
设计并验证了由QSFP28(四通道小型可插拔封装)光模块构成的数据中心专用传输系统，通过使用PAM4(四阶脉冲幅度调制)信号调制方法使其能在超过80 km的距离下支持4 Tbit/s的传输速率。测试结果表明，该系统对于色散与非线性具有较好的冗余，当线路损耗为18 dB时，所有通道仍然具有大于10%的冗余。该研究结果为高速数据中心中光模块应用奠定了一定的理论与实践基础。
城域网络 密集波分复用 数据中心互联系统 四阶脉冲幅度调制 QSFP28光模块 小型可插拔封装接口 metropolitan area networks DWDM data center interconnection pulse amplitude modulation (PAM4) QSFP28 optical transceiver small form-factor pluggable
