采用分段电极马赫-曾德尔调制器的PAM-4发射器

逍遥设计自动化

引言
* W1 E7 B- j) u9 O在现代数据中心通信中，在保持能源效率的同时提高数据传输速率的需求推动了光电子技术的重大创新。PAM-4（4级脉冲幅度调制）信号技术逐渐取代了传统的非归零(NRZ)信号技术。本文探讨了使用分段电极马赫-曾德尔调制器(SE-MZM)的先进实现方法，重点关注设计考虑因素和制造挑战[1]。

  v' u9 }6 s. N# _6 j) pPAM-4信号技术的优势
PAM-4信号技术在光通信领域代表着重要进展，将两个比特编码为四个强度级别。与传统的NRZ信号相比，这种方法有效地将数据承载能力提高了一倍，同时只需要一半的带宽。例如，使用PAM-4传输40G信号只需要20 GHz带宽的器件，对应的符号速率为20 GBaud。

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图1：使用SE-MZM的PAM-4发射器示意图，显示了关键组件及其互连。

传统的PAM-4发射器实现方法通常使用由电数模转换器(DAC)驱动的马赫-曾德尔调制器和电驱动器。然而，这种传统方法面临着一些挑战，包括能源效率低和占用面积大。这些限制促使了更具创新性解决方案的发展。

+ W) H/ F6 _8 t/ o% n, U2 d! u" p分段电极设计实现
更高效的方法采用分段相移器，利用其固有的DAC功能。这种设计消除了对独立DAC组件的需求，提高了能源效率并降低了复杂性。
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图2：SE-MZM PAM-4发射器输出信号（左）和频谱（右），展示了清晰的四级信号生成和频谱特性。

# R$ k! ~8 d9 c7 D  v/ Y9 K7 e与传统的行波马赫-曾德尔调制器(TW-MZM)相比，分段方法具有多个主要优势。虽然传统TW-MZM可以通过较长的相互作用长度来降低驱动电压，但会导致射频损耗增加以及射频信号与光信号之间的速度不匹配。分段设计通过将速度匹配转移到电子定时线路来克服这些限制，这些线路控制电信号的施加时序以匹配段间的光延迟。
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4 {# _' {! ?, b$ v4 h) _% K4 X图3：发射器输出的光眼图，显示了PAM-4四个级别之间的清晰分离。

1 s% {2 t& L: e. F制造考虑因素和挑战
基于SE-MZM的PAM-4发射器的实现需要注意几个可能影响性能的制造变量：

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3 k  k) C  |: L9 B2 T图4：使用SE-MZM的PAM-2发射器示意图及相应的光眼图，显示了段长偏差变化的影响。

段间距离偏差：制造过程中的变化可能导致电极段之间间距的偏差。这些变化直接影响调制器的偏置和带宽特性。仿真结果表明，较大的偏差会导致眼图开口变差和信号质量下降。

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图5：驱动器时延影响的示意图和随时延增加而导致性能下降的眼图。

驱动器时延效应：驱动不同段的电信号的时序对正常运行极为关键。芯片放置和铜走线长度的制造变化可能导致时序不匹配，影响射频信号与光信号之间的同步。
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9 l" O! A; \- w* M7 @图6：显示驱动时延与误码率关系的BER分析结果，以及测试配置的示意图。
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电容充电考虑：相移器电极的R-C响应时间显著影响发射器的带宽。结区电容和封装寄生效应都会影响总体电容充电和R-C时间限制。

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图7：电响应模型配置界面和显示不同R-C响应时间影响的眼图。

  j/ t% F7 n0 ?性能评估和优化
为确保最佳性能，在设计和制造过程中需要监控和优化几个关键指标。TDECQ（发射器和色散眼图闭合四进制）算法提供了对发射器性能的全面评估。这种测量考虑了符号误码率(SER)和噪声特性等因素，帮助设计人员评估和优化其实现方案。

尽管在制造和实现方面存在挑战，基于SE-MZM的PAM-4发射器在能源效率和占用面积方面具有显著优势。成功实现这些器件需要仔细关注制造公差和设计参数，并辅以全面的仿真和测试方法。
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1 d0 Q" l: ?/ I0 {使用分段电极设计的PAM-4技术的进步在光通信领域具有重要意义，特别是对于要求能源效率和高数据速率的数据中心应用。随着制造工艺的不断改进和设计工具变得更加先进，这些创新解决方案将获得更广泛的应用。
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5 v7 o. e3 x  f6 E- J" b  l参考文献
[1] J. Patel and P. Mena, "Designing for manufacture: PAM-4 transmitters using segmented-electrode Mach-Zehnder modulators," PIC Magazine, vol. III, pp. 36-42, 2024.

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