短距光互连的PAM4调制技术研究_图文

1、申请上海交通大学工程硕士专业学位论文短距光互连的PAM4调制技术研究学校:上海交通大学院系:电子信息与电气工程学院班级:Z1303421学号:1130342031工程硕士生:彭真工程领域:电子与通信工程导师:杨宇红(高级工程师导师:曾巧玉(博士上海交通大学2016年5月3日A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University forMaster Degree of EngineeringSimulation Analysis of PAM4 Optical FiberCommunication SystemSpecialty: El

2、ectronics and Communication EngineeringAdvisor : Sr Eng. YangSchool of Electronics and Electric Engineering Shanghai Jiao Tong UniversityMay 24th, 2016学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位

3、论文作者签名:日期:年月日 图1-1 NRZ与PAM4基带调制信号与眼图1 图1-2 SFP+ BOM成本分析32表1-1 已经标准化的PAM4标准以及即将标准化(星号标注的PAM4标准(截止到2015年9月 通信介质开始越来越多的采用光纤传输。 图 1-3 单位传输距离损耗和频率关系45 图1-4 实验设置,码型发生器的输出幅度与相位都是经过调整与匹配33 图1-5 实验设置,波形输出的幅度与相位都是经过调整后的7 图1-6 实验设置示意图(70Gbps PAM46 图1-7 实验设置示意图(1060nm 50Gbps PAM48 图1-8 实验设置示意图(905nm 50Gbps PAM4

4、12 上海交通大学工程硕士学位论文第二章二进制调制方式(OOK光纤通信系统概况第二章二进制调制方式(OOK光纤通信系统概况光纤通信传输系统是以多模光纤或单模光纤为传输媒介,波长在600nm到1.6um光波为载波的通信系统。主要结构包括光发送机、光纤、中继器、放大器和光接收机。除了这些主要的结构,系统中还应该包含一些互连和光信号处理的无源部件,如光纤连接器、隔离器、光开关等26。 图2-1 简易光纤传输系统示意图Fig.2-1 a simple optical tranmission diagram光发送机的作用主要是通过半导体激光器比如VCSEL、DFB等,完成电光转换功能,并将生成的光信号通

5、过棱镜及MPO或LC/FC等接口耦合进光纤。光发送机一般的构成部分包括时钟恢复电路、电平驱动电路、光源和调制器。光接收机的作用是完成光电转换,即将接收到的光信号通过光检测器以及跨阻放大器恢复成电信号。它一般由光电检测器、跨阻放大器、解调器及时钟恢复电路组成。光纤的作用类似于电信号传输中的电缆,是为光信号的传送提供一个传输载体。中继器一般可以分为电中继器和光中继(光放大器,如EDFA等两种,其主要作用就是延长电信号或光信号信号的传输距离。由于在光纤通信系统中,传输距离的远近决定着该怎么选取合适的光发送机、光纤以及光接收机。因此,光纤通信系统又细分为长距离传输、中长距离传输、短距离传输甚至是甚短距

6、离传输。下述将分别介绍各个组成部分。2.1 光发送机光发送机又包括时钟数据恢复电路、激光驱动器以及光源发射器。由于电信号的衰减,接收到的信号相当一部分能量被损耗丢失,因此时钟数据恢复电路目的就是对电光转换前接收到的电信号进行时钟恢复,然后整形再发送。 图2-2 发射端示意图Fig.2-2 transmitter block diagram在选择半导体激光器作为光源器件后,光发送机的工作性能就主要取决于驱动电路以及板材的选取。驱动器的作用主要是能快速响应输入信号,并给激光提供稳定的驱动电流。激光二极管是一个电流器件,在输入电流低于阈值电流时,其发出的光很小,为自发辐射,在输入电流超过阈值电流时,

7、为受激辐射,此时它发出的光为激光。激光有两个主要参数,并且都与温度相关, 即阈值电流和斜效率。随温度的升高,阈值电流I th增大,斜效率S降低。激光驱动器的主要作用是提供激光正常工作所需要的偏置电流与调制电流。考虑到激光器在不同温度下性能变化,驱动器都有温度补偿功能,用来稳定光功率和消光比。在高速通信中,由于高频信号衰减严重,有些驱动器还需要通过预加重的方式补偿一些高频分量;光源就是将电信号转化为光信号,实际应用中,主要包括两种类型:半导体发光二极管(LED以及半导体激光二极管(Laser。由于LED与光纤的耦合效率较低,且LED 是自发辐射发光,它发出的光是非相关光,而是荧光,所以其谱线较宽

8、激光器宽,一般在30-100nm之间,故很难胜任大容量光纤通信的应用。激光相对于LED来说,其温度特性、线性度以及寿命均处于劣势,但由于其为受激发光,发光谱线狭窄,高达90%的耦合效率高等诸多优点,所以它取代了LED,被广泛应用在大容量的数字光纤通信中。2.2 光纤业界将光纤通信系统所用的光载波划分为O、E、S、C、L、U共6个波段。第一窗口为多模光纤,波长在850nm,从O带到E带依次为单模光纤的第2窗口,第3窗口,第4窗口,第5窗口。下表为光纤工作波长分配图,包括单模光纤以及多模光纤28。 图2-3 光纤工作波长分段图3Fig.2-3 fiber transmission window b

9、y wavelength3 光纤通信对光检测器件有如下要求:响应度是前文所述的光电转换效率。因为光信号经过光纤的衰减,幅度成指数倍减小,有些场合甚至降至-30dB,所以光检测器最重要的参数就是其响应度,即光电探测器必须需要有很高的光电转换量子效率。光检测器的噪声有暗电流噪声、倍增噪声等。接收到的光信号本来就很微弱,若是再叠加这些噪声,则会大大降低光接收机的灵敏度。光检测器(PIN/APD在工作时,是处在反向偏置状态。而检测器件APD,必须在反向击穿状态下才能正常运行,因此需要较高的反向工作电压。但工作电压过高,会带来硬件设计的问题以及功耗问题,所以应降低工作电压。4.体积小、重量轻、寿命长由于

10、光检测器件接收光面积的端面一般都大于光纤的纤芯,所以基本可以全部接收光纤的光信号。故不存在他们与光线耦合效率问题,这一点与光源器件不同,但是如果因为耦合不佳,导致光检测器接收到的光变小,会恶化接收机的灵敏度。光纤通信中一般使用PIN光电二极管以及APD雪崩光电二极管作为接收机的光敏器件。两者这要的差异是PIN的灵敏度比APD低,但是反向偏压也比APD低,可以工作在对灵敏度要求不那么高的场合,一般灵敏度在负十几个dBm。APD主要工作在长距离光纤传输系统的接收端,灵敏度可以达到-30几个dBm。以上是光电二极管上截止波长,光电探测器还有下截止波长。由于材料对光波的吸收率是与波长相关,当入射光波长

11、太短时,光电转换效率也会大大降低。因此,如上文所述,Si、Ge以及InGaAs对不同的波长各有不同的响应范围,不同材料的光电探测器对波长响应曲线如下: 图2-4 各种光电探测器的波长响应曲线13Fig.2-4 responsity of different photo diode13定义光电探测器内载流子在电场区的漂移时间为t tr,定义光电二极管的响应带宽为f,在入射光功率相同的情况下,在接收机响应的电信号功率下降3dB时的频率上下限定义为响应带宽,即3 = .35(2-9 2.4 业界主流的光纤传输系统搭配方式光纤的损耗主要来自三个原因:第一个原因是物质的本征吸收第二个原因是杂质离子的吸收

12、第三个原因是散射损耗,主要是瑞利散射,SRS和SBS;瑞利散射的散射光圈和入射光波长的四次方成反比,因此波长越短,瑞利散射越严重。针对第二个原因,在光纤制作提纯的时候,一般的金属阳离子都可以去掉,但是OH-比较麻烦。而这些波段有两个OH-吸收峰,必须避开。而对于第一个问题,石英的本征吸收在1.2um以上的时候,紫外吸收比较明显,1.6um以上的时候,红外吸收比较明显,所以尽量避免利用这些波段。就波长利用来说,业界在1970年开始就用多模光纤的850nm窗口进行通信,但损耗比较大,不适合远距离通信,但对于近距离来说,设备更经济。而对于1310nm及1550nm两个窗口来说,色散及损耗各有所偏低,

13、因此适合长距离的通信。因此经过这么多年的发展,也形成了以下比较流行的搭配方式,即合理的利用了850nm/1310nm/1550nm这些区间,主流的光器件都工作在850nm、1310nm以及1550nm波长附近。表 2-3 业界比较流行的光纤传输系统三种应用场景 2.4.1 并行VCSEL 阵列在多模光纤中的传输在短距离的数据中心传输领域,比较流行的是并行VCSEL阵列在多模光纤中的传输,波长在850nm。多模光纤采用OM3光纤或者OM4光纤,一般25Gbps以下,采用OM3光纤,25Gbps以上采用OM4光纤。由于VCSEL是垂直腔面发射激光器,可以进行片上测试其功率,因此生产成本大大降低。随

14、着技术的日臻成熟,可靠性方面也得到了保证。MESA结构的VCSEL由于其解决了其内部崩裂的问题,将会取代以前的Planar结构,可靠性将会进一步提升。并且目前也有单模的VCSEL研制成功,但是发射功率偏低,如果能够解决功率偏低的问题,我相信在不久的将来就可以商业化。采用50um的多模光纤,是由于为了保证VCSEL的多种模式不被丢失。但是多模光纤也可以用来传输单模光,因此如果单模VCSEL能够商业化,目前的短距离传输便可以平滑过渡,直接换VCSEL就好。 图2-5 并行多模光纤传输系统Fig.2-5 Parallel optics MMF transmission system比较典型的以QSF

15、P+封装形式为代表,以下为Finisar公司生产的40G QSFP SR4模块,最远传输距离100m。 图2-6 Finisar 公司生产的40G QSFP SR4模块Fig.2-6 40G QSFP SR4 of Finisar companyVCSEL阵列如下,QSFP即采用1x4阵列的,CXP系列采用1x12阵列的VCSEL。 图2-7 4/12通道VCSEL阵列44Fig.2-7 4/12 VCSEL array44光纤数据通信的发展总是向着高带宽、低功耗、低体积并且多适用场合发展。Datacom光互连领域的单通道25Gbps的模块已经开始商用。比如Finisar公司推出的QSFP28

16、G SR4,吞吐率已经达到100Gbps。而在ECOC 2015展会上,Finisar展示了一款CFP8封装的400G以太网光收发器。Finisar表示,CFP8的尺寸与CFP2差不多。它将同时容纳IEEE P802.3bs 400G以太网工作组已采用的CDAUI-16(16*25G和CDAUI-8(8*50G电接口,因此将会同时支持多模光纤和单模光纤应用。1RU主机如果完全填充CFP8光模块,则系统卡将支持6.4Tbps。实验室领域,D.M.Kuchta等人于2014年打破前人记录,实现了64Gbps在OM4光纤中的传输。102.4.2 直接调制DFB激光器在单模光纤中的传输中短距离依然是D

17、FB激光器占主导地位,波长为1310nm,由于其优越的单模特性,同G.652零色散单模光纤配合使用,可以将色散降低到很低的程度。这样就可以传输距离就可以大大地扩展。 图2-8 DFB单模光纤传输系统Fig.2-8 DFB SMF transmission system1310nm波长的光发射机,一般都采用DFB激光器加上直接强度调制技术,要求更高的场合,激光器TOSA内会有TEC功能对激光进行恒温控制,但是一般情况下,不需要TEC就可以,中心波长会有6-8nm左右的偏移5。 图2-9 DFB频谱图48Fig.2-9 DFB laser spectrum482.4.3 外调制方式在远距离领域的传

18、输不同与直接调制,在外调制情况下,激光器处于一直发光状态。高速电信号加载在某一介质上,电信号通过改变介质的特性来控制光输入的大小。为什么要采用外调制方式呢?如果采用直接调制,则啁啾效应会使较宽的光谱进入光纤,光谱由于色散会展宽,则会造成光波中的相对强度噪声。外调制调制技术中所采用的激光器主要工作在1550nm波长附近,主要基于以下原因来考虑:1550频带要比1310频带宽,能够容纳更多的波;1550频带要比1310频带的衰减系数更小,传输距离更远;并且EDFA在1550nm这个频带增益更平坦,每个波道的增益基本相差不多,各波道之间的干扰小;还有一个原因,就是1550频带的色散对DWDM传输也有一定的好处,能有效