采用分段電極馬赫-曾德爾調(diào)制器的PAM-4發(fā)射器

逍遙設(shè)計自動化

引言
在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心通信中，在保持能源效率的同時提高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求推動了光電子技術(shù)的重大創(chuàng)新。PAM-4（4級脈沖幅度調(diào)制）信號技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的非歸零(NRZ)信號技術(shù)。本文探討了使用分段電極馬赫-曾德爾調(diào)制器(SE-MZM)的先進實現(xiàn)方法，重點關(guān)注設(shè)計考慮因素和制造挑戰(zhàn)[1]。
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( |. _) h: i) O) I& g3 C4 ]PAM-4信號技術(shù)的優(yōu)勢
/ ?& a& b% @$ `; y" F+ y( H* u) KPAM-4信號技術(shù)在光通信領(lǐng)域代表著重要進展，將兩個比特編碼為四個強度級別。與傳統(tǒng)的NRZ信號相比，這種方法有效地將數(shù)據(jù)承載能力提高了一倍，同時只需要一半的帶寬。例如，使用PAM-4傳輸40G信號只需要20 GHz帶寬的器件，對應(yīng)的符號速率為20 GBaud。

圖1：使用SE-MZM的PAM-4發(fā)射器示意圖，顯示了關(guān)鍵組件及其互連。

傳統(tǒng)的PAM-4發(fā)射器實現(xiàn)方法通常使用由電數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動的馬赫-曾德爾調(diào)制器和電驅(qū)動器。然而，這種傳統(tǒng)方法面臨著一些挑戰(zhàn)，包括能源效率低和占用面積大。這些限制促使了更具創(chuàng)新性解決方案的發(fā)展。
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分段電極設(shè)計實現(xiàn)
' ?/ }) P( r0 r. K更高效的方法采用分段相移器，利用其固有的DAC功能。這種設(shè)計消除了對獨立DAC組件的需求，提高了能源效率并降低了復(fù)雜性。
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5 C7 g1 h: g3 R( ^% B圖2：SE-MZM PAM-4發(fā)射器輸出信號（左）和頻譜（右），展示了清晰的四級信號生成和頻譜特性。
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與傳統(tǒng)的行波馬赫-曾德爾調(diào)制器(TW-MZM)相比，分段方法具有多個主要優(yōu)勢。雖然傳統(tǒng)TW-MZM可以通過較長的相互作用長度來降低驅(qū)動電壓，但會導(dǎo)致射頻損耗增加以及射頻信號與光信號之間的速度不匹配。分段設(shè)計通過將速度匹配轉(zhuǎn)移到電子定時線路來克服這些限制，這些線路控制電信號的施加時序以匹配段間的光延遲。
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圖3：發(fā)射器輸出的光眼圖，顯示了PAM-4四個級別之間的清晰分離。
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' M% F( X4 j( t- m5 K3 H1 x. u( Y制造考慮因素和挑戰(zhàn)
基于SE-MZM的PAM-4發(fā)射器的實現(xiàn)需要注意幾個可能影響性能的制造變量：
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圖4：使用SE-MZM的PAM-2發(fā)射器示意圖及相應(yīng)的光眼圖，顯示了段長偏差變化的影響。
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- G0 w! V& ^) x* i/ f段間距離偏差：制造過程中的變化可能導(dǎo)致電極段之間間距的偏差。這些變化直接影響調(diào)制器的偏置和帶寬特性。仿真結(jié)果表明，較大的偏差會導(dǎo)致眼圖開口變差和信號質(zhì)量下降。
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圖5：驅(qū)動器時延影響的示意圖和隨時延增加而導(dǎo)致性能下降的眼圖。
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1 a, {& @5 B  f9 J8 `  T/ k9 k驅(qū)動器時延效應(yīng)：驅(qū)動不同段的電信號的時序?qū)φ�常運行極為關(guān)鍵。芯片放置和銅走線長度的制造變化可能導(dǎo)致時序不匹配，影響射頻信號與光信號之間的同步。

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圖6：顯示驅(qū)動時延與誤碼率關(guān)系的BER分析結(jié)果，以及測試配置的示意圖。
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+ L  ~: S. Q6 T+ R) ?  Q0 M7 G* ?電容充電考慮：相移器電極的R-C響應(yīng)時間顯著影響發(fā)射器的帶寬。結(jié)區(qū)電容和封裝寄生效應(yīng)都會影響總體電容充電和R-C時間限制。
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圖7：電響應(yīng)模型配置界面和顯示不同R-C響應(yīng)時間影響的眼圖。

性能評估和優(yōu)化
5 B6 V: `' q7 B% q9 Y為確保最佳性能，在設(shè)計和制造過程中需要監(jiān)控和優(yōu)化幾個關(guān)鍵指標。TDECQ（發(fā)射器和色散眼圖閉合四進制）算法提供了對發(fā)射器性能的全面評估。這種測量考慮了符號誤碼率(SER)和噪聲特性等因素，幫助設(shè)計人員評估和優(yōu)化其實現(xiàn)方案。
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盡管在制造和實現(xiàn)方面存在挑戰(zhàn)，基于SE-MZM的PAM-4發(fā)射器在能源效率和占用面積方面具有顯著優(yōu)勢。成功實現(xiàn)這些器件需要仔細關(guān)注制造公差和設(shè)計參數(shù)，并輔以全面的仿真和測試方法。

使用分段電極設(shè)計的PAM-4技術(shù)的進步在光通信領(lǐng)域具有重要意義，特別是對于要求能源效率和高數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。隨著制造工藝的不斷改進和設(shè)計工具變得更加先進，這些創(chuàng)新解決方案將獲得更廣泛的應(yīng)用。
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! Z8 y( {  X, N1 l  D; |+ g參考文獻
+ B! e+ l2 w$ T2 c/ P[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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