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，客戶則電信號經過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信號進行信號頻譜整形和發(fā)端預補償過程以彌補光電器件的不理想特性。經過這些DSP處理后，送入四通道的高速DAC，經過數模轉換變成高速模擬帶寬電信號。經過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、相位以及兩個正交的偏振態(tài)上，經光模塊內部的光放大器/衰減器進行光功率控制后輸出，即為產生的高速光信號。

  在接收端，高速光信號經過ICR后在本振光的作用下進行相干混頻和光電轉換后得到基帶電信號，然后經過高速ADC采樣，實現電信號的數字化，然后借助于收端強大的DSP均衡能力對信號在線路和光收發(fā)模塊中所經受的損傷進行補償。收端DSP處理流程依次包括重采樣、光學前端補償、色散補償、時鐘恢復、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。光場線性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信息，DSP處理能夠完美地補償光信號經受的線性損傷，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計還可以一定程度上補償或均衡系統(tǒng)的非線性效應，如數字子載波復用可以增強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，進一步提升信號的OSNR容限，確保在合適的應用場景中實現無誤碼傳輸。

  進一步地，在光模塊內部或外部單盤上，通過Gearbox或Framer芯片，實現線路側電信號與客戶側電信號的對接，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芯片中應該還具有SerDes功能以便更好地與客戶側信號互聯。

  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，包括調制器驅動器(driver)，跨阻放大器(TIA),DSP芯片。從芯片制造技術上來講，現在電驅動都是基于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。雖然近幾年隨著器件集成化和共封裝要求的提高，SiP成為學術熱門和產業(yè)新寵，但是本質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在無源器件上表現更出色。SiP在產量和成本上占優(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)點結合起來，比如Si+X，混合集成，讓成本和性能都盡可能優(yōu)化。