新一代O波段相干传输系统在数据中心高速通信中的应用

逍遥设计自动化

引言
2 F# W9 V( v9 Z% |6 N随着互联网流量和数据密集型应用的指数级增长，数据中心通信对更高容量的需求日益迫切。传统的强度调制直接检测(IMDD)系统目前在2公里范围内以200 Gbps/λ的速率运行，但由于色散效应的限制，其容量扩展受到显著制约。作为解决方案，在O波段(1260-1360 nm)运行的相干传输系统已成为下一代数据中心互连的理想选择，提供更高的容量和更好的色散耐受性[1]。
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) h0 M# t( U3 Z5 W) f( NO波段相干系统的优势
* _+ q* w7 [0 k4 m- C$ z6 X- J在O波段采用相干传输技术为数据中心通信带来多项显著优势。通过增加符号速率可以实现容量扩展，且不受色散限制。在10公里范围内无需光放大，降低了系统复杂度。O波段中色散很小，接收端数字信号处理(DSP)无需进行数字色散补偿，简化了DSP架构。此外，最小化的色散减少了均衡增强相位噪声(EEPN)，使得可以使用具有宽松线宽要求的经济型分布反馈(DFB)激光器。

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系统架构与实现
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3 ~. G5 V1 C( z, f' v5 [, w  k图1：实验系统设置，展示了发射机和接收机配置，包括DSP例程以及系统中使用的各种光学和电子元件。
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实验系统由多个关键组件组成，共同实现高速数据传输。在发射端，采用输出功率为18 dBm的1310 nm DFB激光器作为光源。系统使用具有18毫米共面电极的铌酸锂薄膜(TFLN) IQ调制器，具有10.5 dB的光纤到光纤插入损耗和约100 GHz的6-dB带宽。

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2 F: E+ r. `9 s0 X3 p数字信号处理

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" {) C, ?$ u# L3 E. h% G9 m图2：DFB激光器的光谱特性和传输系统各阶段的光谱，展示了信号质量和光谱效率。

, g+ K+ c/ |" m- ZDSP例程在优化系统性能方面发挥着关键作用。在发射端，使用梅森旋转算法生成随机QAM符号。为了减轻模式依赖的非线性效应，对符号进行查找表预失真。然后使用升余弦滤波器对信号进行滤波，并重采样以匹配任意波形发生器的采样率。
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性能分析
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图3：性能指标，显示了不同调制格式的误码率与符号速率的关系、接收光功率灵敏度和星座图。
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系统在不同配置下展现出优异的性能指标。使用128 GSa/s配置，成功实现了120 Gbaud DP-64QAM在10公里标准单模光纤(SSMF)上的传输，提供1.2 Tbps的净速率。升级到256 GSa/s配置后，系统在10公里传输距离上实现了167 Gbaud DP-64QAM的1.6 Tbps净传输速率。
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0 U; l3 o6 P. _3 c* Y& h% E2 r功耗分析
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1 G0 ]$ G: `! L" u0 }5 R. s图4：不同架构的功耗分析，展示了1.6 Tbps操作下各种系统配置的相对效率。

5 L, o+ [0 l$ r6 }全面的功耗分析揭示了不同系统架构的效率。研究比较了多种配置，包括8λ × 200 Gbps WDM IMDD、4λ × 400 Gbps WDM IMDD、2λ × 800 Gbps WDM相干传输和1λ × 1.6 Tbps单载波相干传输。

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结论
( i" W! z. ^: H本文展示的O波段相干传输系统代表了数据中心通信技术的重大进展。通过使用经济型DFB激光器和TFLN调制器，在10公里传输距离上实现高达1.6 Tbps的净传输速率，此技术在下一代数据中心互连中展现出显著优势。系统的功率效率和出色的性能指标使其成为未来高速数据中心网络的理想解决方案。
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) N1 |! @9 k3 X6 m/ b, D参考文献
[1] E. Berikaa et al., "Next-Generation O-Band Coherent Transmission for 1.6 Tbps 10 km Intra-Datacenter Interconnects," Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 3, pp. 1126-1135, Feb. 1, 2024.
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