短距光互連的PAM4調(diào)制技術(shù)研究_圖文

1、申請(qǐng)上海交通大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文短距光互連的PAM4調(diào)制技術(shù)研究學(xué)校:上海交通大學(xué)院系:電子信息與電氣工程學(xué)院班級(jí):Z1303421學(xué)號(hào):1130342031工程碩士生:彭真工程領(lǐng)域:電子與通信工程導(dǎo)師:楊宇紅(高級(jí)工程師導(dǎo)師:曾巧玉(博士上海交通大學(xué)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學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位

3、論文作者簽名:日期:年月日 圖1-1 NRZ與PAM4基帶調(diào)制信號(hào)與眼圖1 圖1-2 SFP+ BOM成本分析32表1-1 已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的PAM4標(biāo)準(zhǔn)以及即將標(biāo)準(zhǔn)化(星號(hào)標(biāo)注的PAM4標(biāo)準(zhǔn)(截止到2015年9月 通信介質(zhì)開始越來越多的采用光纖傳輸。 圖 1-3 單位傳輸距離損耗和頻率關(guān)系45 圖1-4 實(shí)驗(yàn)設(shè)置,碼型發(fā)生器的輸出幅度與相位都是經(jīng)過調(diào)整與匹配33 圖1-5 實(shí)驗(yàn)設(shè)置,波形輸出的幅度與相位都是經(jīng)過調(diào)整后的7 圖1-6 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖(70Gbps PAM46 圖1-7 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖(1060nm 50Gbps PAM48 圖1-8 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖(905nm 50Gbps PAM4

4、12 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第二章二進(jìn)制調(diào)制方式(OOK光纖通信系統(tǒng)概況第二章二進(jìn)制調(diào)制方式(OOK光纖通信系統(tǒng)概況光纖通信傳輸系統(tǒng)是以多模光纖或單模光纖為傳輸媒介,波長在600nm到1.6um光波為載波的通信系統(tǒng)。主要結(jié)構(gòu)包括光發(fā)送機(jī)、光纖、中繼器、放大器和光接收機(jī)。除了這些主要的結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中還應(yīng)該包含一些互連和光信號(hào)處理的無源部件,如光纖連接器、隔離器、光開關(guān)等26。 圖2-1 簡易光纖傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.2-1 a simple optical tranmission diagram光發(fā)送機(jī)的作用主要是通過半導(dǎo)體激光器比如VCSEL、DFB等,完成電光轉(zhuǎn)換功能,并將生成的光信號(hào)通

5、過棱鏡及MPO或LC/FC等接口耦合進(jìn)光纖。光發(fā)送機(jī)一般的構(gòu)成部分包括時(shí)鐘恢復(fù)電路、電平驅(qū)動(dòng)電路、光源和調(diào)制器。光接收機(jī)的作用是完成光電轉(zhuǎn)換,即將接收到的光信號(hào)通過光檢測(cè)器以及跨阻放大器恢復(fù)成電信號(hào)。它一般由光電檢測(cè)器、跨阻放大器、解調(diào)器及時(shí)鐘恢復(fù)電路組成。光纖的作用類似于電信號(hào)傳輸中的電纜,是為光信號(hào)的傳送提供一個(gè)傳輸載體。中繼器一般可以分為電中繼器和光中繼(光放大器,如EDFA等兩種,其主要作用就是延長電信號(hào)或光信號(hào)信號(hào)的傳輸距離。由于在光纖通信系統(tǒng)中,傳輸距離的遠(yuǎn)近決定著該怎么選取合適的光發(fā)送機(jī)、光纖以及光接收機(jī)。因此,光纖通信系統(tǒng)又細(xì)分為長距離傳輸、中長距離傳輸、短距離傳輸甚至是甚短距

6、離傳輸。下述將分別介紹各個(gè)組成部分。2.1 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)又包括時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路、激光驅(qū)動(dòng)器以及光源發(fā)射器。由于電信號(hào)的衰減,接收到的信號(hào)相當(dāng)一部分能量被損耗丟失,因此時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路目的就是對(duì)電光轉(zhuǎn)換前接收到的電信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù),然后整形再發(fā)送。 圖2-2 發(fā)射端示意圖Fig.2-2 transmitter block diagram在選擇半導(dǎo)體激光器作為光源器件后,光發(fā)送機(jī)的工作性能就主要取決于驅(qū)動(dòng)電路以及板材的選取。驅(qū)動(dòng)器的作用主要是能快速響應(yīng)輸入信號(hào),并給激光提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。激光二極管是一個(gè)電流器件,在輸入電流低于閾值電流時(shí),其發(fā)出的光很小,為自發(fā)輻射,在輸入電流超過閾值電流時(shí),

7、為受激輻射,此時(shí)它發(fā)出的光為激光。激光有兩個(gè)主要參數(shù),并且都與溫度相關(guān), 即閾值電流和斜效率。隨溫度的升高,閾值電流I th增大,斜效率S降低。激光驅(qū)動(dòng)器的主要作用是提供激光正常工作所需要的偏置電流與調(diào)制電流。考慮到激光器在不同溫度下性能變化,驅(qū)動(dòng)器都有溫度補(bǔ)償功能,用來穩(wěn)定光功率和消光比。在高速通信中,由于高頻信號(hào)衰減嚴(yán)重,有些驅(qū)動(dòng)器還需要通過預(yù)加重的方式補(bǔ)償一些高頻分量;光源就是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào),實(shí)際應(yīng)用中,主要包括兩種類型:半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED以及半導(dǎo)體激光二極管(Laser。由于LED與光纖的耦合效率較低,且LED 是自發(fā)輻射發(fā)光,它發(fā)出的光是非相關(guān)光,而是熒光,所以其譜線較寬

8、激光器寬,一般在30-100nm之間,故很難勝任大容量光纖通信的應(yīng)用。激光相對(duì)于LED來說,其溫度特性、線性度以及壽命均處于劣勢(shì),但由于其為受激發(fā)光,發(fā)光譜線狹窄,高達(dá)90%的耦合效率高等諸多優(yōu)點(diǎn),所以它取代了LED,被廣泛應(yīng)用在大容量的數(shù)字光纖通信中。2.2 光纖業(yè)界將光纖通信系統(tǒng)所用的光載波劃分為O、E、S、C、L、U共6個(gè)波段。第一窗口為多模光纖,波長在850nm,從O帶到E帶依次為單模光纖的第2窗口,第3窗口,第4窗口,第5窗口。下表為光纖工作波長分配圖,包括單模光纖以及多模光纖28。 圖2-3 光纖工作波長分段圖3Fig.2-3 fiber transmission window b

9、y wavelength3 光纖通信對(duì)光檢測(cè)器件有如下要求:響應(yīng)度是前文所述的光電轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)楣庑盘?hào)經(jīng)過光纖的衰減,幅度成指數(shù)倍減小,有些場合甚至降至-30dB,所以光檢測(cè)器最重要的參數(shù)就是其響應(yīng)度,即光電探測(cè)器必須需要有很高的光電轉(zhuǎn)換量子效率。光檢測(cè)器的噪聲有暗電流噪聲、倍增噪聲等。接收到的光信號(hào)本來就很微弱,若是再疊加這些噪聲,則會(huì)大大降低光接收機(jī)的靈敏度。光檢測(cè)器(PIN/APD在工作時(shí),是處在反向偏置狀態(tài)。而檢測(cè)器件APD,必須在反向擊穿狀態(tài)下才能正常運(yùn)行,因此需要較高的反向工作電壓。但工作電壓過高,會(huì)帶來硬件設(shè)計(jì)的問題以及功耗問題,所以應(yīng)降低工作電壓。4.體積小、重量輕、壽命長由于

10、光檢測(cè)器件接收光面積的端面一般都大于光纖的纖芯,所以基本可以全部接收光纖的光信號(hào)。故不存在他們與光線耦合效率問題,這一點(diǎn)與光源器件不同,但是如果因?yàn)轳詈喜患?導(dǎo)致光檢測(cè)器接收到的光變小,會(huì)惡化接收機(jī)的靈敏度。光纖通信中一般使用PIN光電二極管以及APD雪崩光電二極管作為接收機(jī)的光敏器件。兩者這要的差異是PIN的靈敏度比APD低,但是反向偏壓也比APD低,可以工作在對(duì)靈敏度要求不那么高的場合,一般靈敏度在負(fù)十幾個(gè)dBm。APD主要工作在長距離光纖傳輸系統(tǒng)的接收端,靈敏度可以達(dá)到-30幾個(gè)dBm。以上是光電二極管上截止波長,光電探測(cè)器還有下截止波長。由于材料對(duì)光波的吸收率是與波長相關(guān),當(dāng)入射光波長

11、太短時(shí),光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大大降低。因此,如上文所述,Si、Ge以及InGaAs對(duì)不同的波長各有不同的響應(yīng)范圍,不同材料的光電探測(cè)器對(duì)波長響應(yīng)曲線如下: 圖2-4 各種光電探測(cè)器的波長響應(yīng)曲線13Fig.2-4 responsity of different photo diode13定義光電探測(cè)器內(nèi)載流子在電場區(qū)的漂移時(shí)間為t tr,定義光電二極管的響應(yīng)帶寬為f,在入射光功率相同的情況下,在接收機(jī)響應(yīng)的電信號(hào)功率下降3dB時(shí)的頻率上下限定義為響應(yīng)帶寬,即3 = .35(2-9 2.4 業(yè)界主流的光纖傳輸系統(tǒng)搭配方式光纖的損耗主要來自三個(gè)原因:第一個(gè)原因是物質(zhì)的本征吸收第二個(gè)原因是雜質(zhì)離子的吸收

12、第三個(gè)原因是散射損耗,主要是瑞利散射,SRS和SBS;瑞利散射的散射光圈和入射光波長的四次方成反比,因此波長越短,瑞利散射越嚴(yán)重。針對(duì)第二個(gè)原因,在光纖制作提純的時(shí)候,一般的金屬陽離子都可以去掉,但是OH-比較麻煩。而這些波段有兩個(gè)OH-吸收峰,必須避開。而對(duì)于第一個(gè)問題,石英的本征吸收在1.2um以上的時(shí)候,紫外吸收比較明顯,1.6um以上的時(shí)候,紅外吸收比較明顯,所以盡量避免利用這些波段。就波長利用來說,業(yè)界在1970年開始就用多模光纖的850nm窗口進(jìn)行通信,但損耗比較大,不適合遠(yuǎn)距離通信,但對(duì)于近距離來說,設(shè)備更經(jīng)濟(jì)。而對(duì)于1310nm及1550nm兩個(gè)窗口來說,色散及損耗各有所偏低,

13、因此適合長距離的通信。因此經(jīng)過這么多年的發(fā)展,也形成了以下比較流行的搭配方式,即合理的利用了850nm/1310nm/1550nm這些區(qū)間,主流的光器件都工作在850nm、1310nm以及1550nm波長附近。表 2-3 業(yè)界比較流行的光纖傳輸系統(tǒng)三種應(yīng)用場景 2.4.1 并行VCSEL 陣列在多模光纖中的傳輸在短距離的數(shù)據(jù)中心傳輸領(lǐng)域,比較流行的是并行VCSEL陣列在多模光纖中的傳輸,波長在850nm。多模光纖采用OM3光纖或者OM4光纖,一般25Gbps以下,采用OM3光纖,25Gbps以上采用OM4光纖。由于VCSEL是垂直腔面發(fā)射激光器,可以進(jìn)行片上測(cè)試其功率,因此生產(chǎn)成本大大降低。隨

14、著技術(shù)的日臻成熟,可靠性方面也得到了保證。MESA結(jié)構(gòu)的VCSEL由于其解決了其內(nèi)部崩裂的問題,將會(huì)取代以前的Planar結(jié)構(gòu),可靠性將會(huì)進(jìn)一步提升。并且目前也有單模的VCSEL研制成功,但是發(fā)射功率偏低,如果能夠解決功率偏低的問題,我相信在不久的將來就可以商業(yè)化。采用50um的多模光纖,是由于為了保證VCSEL的多種模式不被丟失。但是多模光纖也可以用來傳輸單模光,因此如果單模VCSEL能夠商業(yè)化,目前的短距離傳輸便可以平滑過渡,直接換VCSEL就好。 圖2-5 并行多模光纖傳輸系統(tǒng)Fig.2-5 Parallel optics MMF transmission system比較典型的以QSF

15、P+封裝形式為代表,以下為Finisar公司生產(chǎn)的40G QSFP SR4模塊,最遠(yuǎn)傳輸距離100m。 圖2-6 Finisar 公司生產(chǎn)的40G QSFP SR4模塊Fig.2-6 40G QSFP SR4 of Finisar companyVCSEL陣列如下,QSFP即采用1x4陣列的,CXP系列采用1x12陣列的VCSEL。 圖2-7 4/12通道VCSEL陣列44Fig.2-7 4/12 VCSEL array44光纖數(shù)據(jù)通信的發(fā)展總是向著高帶寬、低功耗、低體積并且多適用場合發(fā)展。Datacom光互連領(lǐng)域的單通道25Gbps的模塊已經(jīng)開始商用。比如Finisar公司推出的QSFP28

16、G SR4,吞吐率已經(jīng)達(dá)到100Gbps。而在ECOC 2015展會(huì)上,Finisar展示了一款CFP8封裝的400G以太網(wǎng)光收發(fā)器。Finisar表示,CFP8的尺寸與CFP2差不多。它將同時(shí)容納IEEE P802.3bs 400G以太網(wǎng)工作組已采用的CDAUI-16(16*25G和CDAUI-8(8*50G電接口,因此將會(huì)同時(shí)支持多模光纖和單模光纖應(yīng)用。1RU主機(jī)如果完全填充CFP8光模塊,則系統(tǒng)卡將支持6.4Tbps。實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域,D.M.Kuchta等人于2014年打破前人記錄,實(shí)現(xiàn)了64Gbps在OM4光纖中的傳輸。102.4.2 直接調(diào)制DFB激光器在單模光纖中的傳輸中短距離依然是D

17、FB激光器占主導(dǎo)地位,波長為1310nm,由于其優(yōu)越的單模特性,同G.652零色散單模光纖配合使用,可以將色散降低到很低的程度。這樣就可以傳輸距離就可以大大地?cái)U(kuò)展。 圖2-8 DFB單模光纖傳輸系統(tǒng)Fig.2-8 DFB SMF transmission system1310nm波長的光發(fā)射機(jī),一般都采用DFB激光器加上直接強(qiáng)度調(diào)制技術(shù),要求更高的場合,激光器TOSA內(nèi)會(huì)有TEC功能對(duì)激光進(jìn)行恒溫控制,但是一般情況下,不需要TEC就可以,中心波長會(huì)有6-8nm左右的偏移5。 圖2-9 DFB頻譜圖48Fig.2-9 DFB laser spectrum482.4.3 外調(diào)制方式在遠(yuǎn)距離領(lǐng)域的傳

18、輸不同與直接調(diào)制,在外調(diào)制情況下,激光器處于一直發(fā)光狀態(tài)。高速電信號(hào)加載在某一介質(zhì)上,電信號(hào)通過改變介質(zhì)的特性來控制光輸入的大小。為什么要采用外調(diào)制方式呢?如果采用直接調(diào)制,則啁啾效應(yīng)會(huì)使較寬的光譜進(jìn)入光纖,光譜由于色散會(huì)展寬,則會(huì)造成光波中的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。外調(diào)制調(diào)制技術(shù)中所采用的激光器主要工作在1550nm波長附近,主要基于以下原因來考慮:1550頻帶要比1310頻帶寬,能夠容納更多的波;1550頻帶要比1310頻帶的衰減系數(shù)更小,傳輸距離更遠(yuǎn);并且EDFA在1550nm這個(gè)頻帶增益更平坦,每個(gè)波道的增益基本相差不多,各波道之間的干擾小;還有一個(gè)原因,就是1550頻帶的色散對(duì)DWDM傳輸也有一定的好處,能有效