三分钟了解相干光模块芯片工作原理

  三分钟了解相干光模块芯片工作原理

  都说芯片很重要，今天就花三分钟带您了解一下相干光模块中主要光电芯片的作用吧。

图1. 相干光模块(单盘)功能示意图

  如图1所示，相干光模块中，在发射端，客户则电信号经过DSP芯片中的数字信号处理功能完成特定概率分布和QAM映射的符号，其中包括概率分布匹配、FEC编码、QAM映射等功能，然后对基带的数字QAM信号进行信号频谱整形和发端预补偿过程以弥补光电器件的不理想特性。经过这些DSP处理后，送入四通道的高速DAC，经过数模转换变成高速模拟带宽电信号。经过driver放大后加载到偏振复用光IQ调制器上完成上变频，将基带电信号加载到光载波的幅度、相位以及两个正交的偏振态上，经光模块内部的光放大器/衰减器进行光功率控制后输出，即为产生的高速光信号。

  在接收端，高速光信号经过ICR后在本振光的作用下进行相干混频和光电转换后得到基带电信号，然后经过高速ADC采样，实现电信号的数字化，然后借助于收端强大的DSP均衡能力对信号在线路和光收发模块中所经受的损伤进行补偿。收端DSP处理流程依次包括重采样、光学前端补偿、色散补偿、时钟恢复、偏振解复用自适应均衡、频偏估计、相位恢复、星座图解映射和FEC解码。光场线性IQ调制和相干探测使得理论上接收端能够恢复到光信号全部的光场信息，DSP处理能够完美地补偿光信号经受的线性损伤，如通道间skew，IQ幅度和相位imbalance，光纤色度色散(CD)和偏振模色散(PMD)，频偏及相噪等，甚至通过特殊的算法设计还可以一定程度上补偿或均衡系统的非线性效应，如数字子载波复用可以增强对光纤非线性的容忍度。800G相干DSP芯片中的高性能SD-FEC算法则相比于早期100G DSP芯片中的HD-FEC有更好的纠错能力，进一步提升信号的OSNR容限，确保在合适的应用场景中实现无误码传输。

  进一步地，在光模块内部或外部单盘上，通过Gearbox或Framer芯片，实现线路侧电信号与客户侧电信号的对接，完成不同的功能，如转发(transponder)复接(muxponder)。当然，光模块中还需要一些其它的辅助芯片，如电源芯片、时钟芯片以及FPGA控制芯片和温度监测芯片等。另外，DSP芯片中应该还具有SerDes功能以便更好地与客户侧信号互联。

  总的来讲，相干光模块中的核心芯片可以分为两大类：光芯片，包括双偏IQ调制、激光器、相干光混频器、平衡探测器;电芯片，包括调制器驱动器(driver)，跨阻放大器(TIA),DSP芯片。从芯片制造技术上来讲，现在电驱动都是基于Si或SiGe材料用CMOS标准工艺流程做的，核心部分DSP芯片由于功耗和性能的要求，需要采用比较先进的7nm节点工艺制程。

表1. 基于不同材料制作不同器件的性能对比

  而光芯片则可以分为两大类，一是基于III-V族材料如InP的，包括激光器，调制器，探测器(GaAs)。二是基于Si基的，包括Si基调制器，相干接收机等。虽然近几年随着器件集成化和共封装要求的提高，SiP成为学术热门和产业新宠，但是本质上讲对于相干光模块来说，InP vs SiP谁好谁坏并没有定论。总的来说，两者各有所长，如表1所示。

       InP平台更擅长做有源器件，而SiP在无源器件上表现更出色。SiP在产量和成本上占优势，但在带宽和性能上可能并不如InP。InP平台可以把激光器与CDM、ICR集成/封装起来，而SiP可以把DSP和不带激光器的PIC集成/共封装在一起。SiP有很多优点，但其不可忽视的缺点有二：一是与光纤耦合损耗大，二是本身不能发光（最近MIT博士做的LED距离实用光通信应用尚早）。与其说谁取代谁，不如说有些时候可能需要考虑如何将两者的优点结合起来，比如Si+X，混合集成，让成本和性能都尽可能优化。