四电平脉冲幅度调制光互联系统中的可重构发射芯片架构

信道线性及非线性失真会降低基于四电平脉冲幅度调制(PAM4)的短距离光互联系统的性能,利用PAM4发射芯片对信号进行预补偿能缓解信道失真带来的影响。因此,研究了一种适用于短距离光互联的PAM4发射芯片架构。该架构基于查找表(LUT)均衡器和源串联终端数模转换器灵活补偿光信道失真,利用流水线结构的选择器进行高速LUT读取;同时,采用电阻反馈的预驱动电路减少高速数模转换器信号输出时的码间干扰。后仿真结果表明,55 nm工艺制程PAM4发射芯片的速率可达到40 Gbit/s,能实现灵活配置的均衡模式,满足下一代数据中心、接入等光互联网络的需求。

56 Gbit/s低功耗分数间隔FFE PAM4 SerDes发射机设计

采用65 nm CMOS工艺设计了一款用于高速芯片互联的四电平脉冲幅度调制(PAM4) SerDes发射机。该发射机主要由最高有效位通道和最低有效位通道、时钟产生路径、前馈均衡模块、接口驱动电路等构成。采用一种无锁存的并串转换技术,以降低功耗;采用一种分数型前馈均衡技术,获得了超出奈奎斯特频率点的频率补偿峰值,从而扩展频率补偿范围,使输出信号能更好地适应信道。此外,采用带预充电结构的4∶1并串转换器,减小电荷共享效应对电路的影响。仿真结果表明,在1 V电源电压下,整体电路能实现56 Gbit/s PAM4输出信号,输出眼图清晰,且获得电平失配率为93.1%的高线性度,输出摆幅达到480 mV,功耗为75 mW。

一种集成DFE和CDR的56 Gbit/s PAM-4 SerDes接收机设计

基于65 nm CMOS工艺设计了一款1/4速率56 Gbit/s PAM-4 SerDes接收机,该接收机集成了可变增益放大、连续时间线性均衡(CTLE)、判决反馈均衡(DFE)、自适应阈值电压跟踪和无参考时钟数据恢复(CDR)等电路。可变增益放大技术被用来对接收信号进行幅度调节;CTLE和2抽头DFE被用来进行信道畸变补偿;自适应阈值电压跟踪技术用来确定最优的PAM-4信号判决电平;无参考时钟CDR技术则在无外部参考时钟的前提下,被用来产生最佳判决时钟,同时基于边沿检测技术有效降低了PAM-4信号非对称电平转换引起的时钟抖动。后仿真结果表明,在1.2 V电源电压下,所设计的PAM-4接收机能够实现6.75~20.75 dB的可调增益范围和高达16 dB@14 GHz的信道高频衰减补偿,且在16.1 dB@14 GHz信道下,CDR提取出的7 GHz时钟抖动峰峰值为7.21 ps。工作于56 Gbit/s速率下,接收机功耗为227 mW,能效为4.05 pJ/bit。

一款400μm^(2)用于极短距离接收机具有中频补偿的56 Gb/s PAM4反相器型连续时间线性均衡器

高速极短距离有线数据接口是芯粒间互连的重要技术方案。传统的基于电流模逻辑的连续时间线性均衡器由于高电源电压和无源器件的使用已经无法满足芯粒间数据接口高密度、小型化、低功耗的需求。针对该问题,本文提出了一种带中频补偿的反相器型连续时间线性均衡器,可在极短距离应用中传输28 Gb/s非归零信号以及56 Gb/s四电平脉冲幅度调制信号。本设计采用28 nm CMOS工艺实现,核心面积仅为400μm^(2)。经过-9.4 dB@14 GHz的极短距离信道后,基于版图的仿真结果表明,所提出的连续时间线性均衡器使28 Gbaud的非归零信号与四电平脉冲幅度调制信号眼宽分别提升0.14 UI与0.41 UI,眼高提升328 mV与119 mV,56 Gb/s四电平脉冲幅度调制信号工况下功耗为6.12 mW。

100/400 Gbit/s PAM4光收发模块的技术分析

PAM4(四阶脉冲幅度调制)为100/400Gbit/s以太网提供了一种有效可行的解决方案。介绍了400Gbit/s以太网的技术标准进展和两种400Gbit/s光模块的封装形式,阐述了PAM4光收发模块的基本原理和结构框图,通过分析不同速率的技术方案和参数,表明28GBaud PAM4是实现400Gbit/s以太网传输较好的方案;综述了模块设计所需的器件、芯片、测试仪器和测试方案的现有技术水平,为100/400Gbit/s PAM4光收发模块的设计和实现提供参考。

面向5G的基于RSOA的50 Gb/s PAM4 WDM-PON前传网络

为了满足5G前传网络发展的需要,提供更大的带宽,在基于反射式半导体放大器(RSOA)再调制的波分复用无源光网络(WDM-PON)系统中,采用下行速率为50 Gb/s的四脉冲幅度调制(PAM4)信号和上行速率为10 Gb/s的非归零(NRZ)信号,构成不对称传输架构的双向通信系统,将其作为前传网络的承载方案。在理论研究的基础上,使用仿真软件Optisystem对基于RSOA再调制的WDM-PON系统进行了仿真和分析,分析了不同发射光功率下系统的传输性能;分析了背靠背和有色散补偿的2种条件下上、下行传输系统的性能。证明了采用下行50 Gb/s PAM4信号和上行10 Gb/s NRZ信号的WDM-PON可作为前传网络的承载方案。

基于PAM4制的高速垂直腔面发射激光器研究进展

短距离光互联技术在云计算、5G通信、物联网技术等方面有重要的商业应用价值。基于高速垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)与多模光纤组成链路、采用直接调制检测、并使用如四电平脉冲幅度调制(Four-level pulse amplitude modulation,PAM4)等的高阶调制模式是现阶段短距离光互联链路方案的首选。本文首先介绍了短距离光互联应用的研究现状;第二部分介绍了VCSEL的发展、结构以及动态参数;第三部分介绍了PAM4调制方法及伴随使用的各种电子技术(均衡,前向纠错,脉冲整形);第四部分介绍了提高单链路速率的波分复用(Wavelength division multiplexing,WDM)技术;最后对以高速VCSEL、多模光纤、直接调制检测、PAM4调制以及波分复用技术的短距离光互联方案应用前景做了总结和展望。

高速1550 nm垂直腔面发射激光器研究进展

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有生产成本低、调制速率高等优点,在光通信领域占有重要地位。随着数据需求量的飞速增长,在长距离信息传输中,具有低损耗的1550 nm波长的VCSEL引起了研究人员的兴趣。本文首先介绍了1550 nm VCSEL的结构,然后讨论了其带宽限制因素以及相应的改进方法,接着从NRZ(不归零)调制和PAM4(四电平脉冲幅度)调制两方面对近年来高速1550 nm VCSEL的研究进展进行了综述,最后展望了高速1550 nm VCSEL在未来光通信领域的发展和应用。

基于mini-LED的光无线通信实验平台建设

为提升学生在通信系统方面的实践动手能力,设计开发了基于mini-LED的光无线通信实验平台,开展数字光信号调制、传输和解调的实践教学。该平台以mini-LED作为通信光源,包括自由空间和水下两种传输信道环境,在收发端以离线数字信号处理方式进行信道均衡和信号恢复。基于该实验平台,通过参与实验搭建、信道调试与数据分析,可帮助学生理解通信概念与理论,加强学生解决通信系统实际问题的能力,提升学生对光无线通信的系统设计与仿真实践能力。

基于PAM4技术的50 Gbit/s 40km QSFP28传输模块

设计了一种基于四阶脉冲幅度调制(PAM4)技术的50 Gbit/s 40 km QSFP28封装的长距离光传输模块,以应对现代社会对通信传输的带宽、速率和容量等要求的不断增长。使用了PAM4技术以提高单波长的数据传输容量,使得单波传输速率达到50 Gbit/s;在模块的接收单元使用雪崩光电二极管(APD)作为光探测器,使得模块对小光信号的接收能力得到提高;测试结果表明,模块的性能较为稳定,优化了APD部分电路设计,以获得更佳的传输效果,能够满足50 GE 40 km传输。

400Gb/s CFP8 LR8光收发模块的设计与实现

400Gb/s光收发模块是400Gb/s通信网络中物理层的核心部件之一,其开发与设计也是通信网络从100Gb/s向400Gb/s演进必须要解决的问题。首先,介绍了400Gb/s光收发模块的相关标准,按照CFP8热插拔光收发模块外形封装多源协议给出了一种CFP8LR8模块的设计方案;然后,使用四阶脉冲幅度调制(PAM4)测试设备对该模块的发射端和接收端参数进行了测试,说明了测试原理和测试方法。测试结果符合IEEEStd802.3bs-2017中的400GBASE-LR8规范。

400Gb/s热插拔光收发模块测试系统研究

通信网络从100 Gb/s向400 Gb/s演进,是近年来的研究热点。光收发模块是其中的核心部件之一。光模块的测试是开发和生产过程中必须要面对的问题。在400 Gb/s光模块中引入了调制格式为四阶脉冲幅度调制(PAM4)的光电信号,其参数定义和测试方法不同于传统的不归零码(NRZ)信号。按照400 Gb/s热插拔光模块所依据的多源协议(MSA)标准、光接口标准和电接口标准,从实践的角度,介绍了测试板的组成结构、工作原理和设计要点。同时,结合测试设备厂商已经发布的产品,全面、详细地说明了由测试板和测试设备组成的测试系统,以及测试系统对光模块主要参数的测试原理和测试方法。根据测试框图,对QSFP-DD FR4光模块进行了实际测试。测试结果符合相关标准的要求。该研究为400 Gb/s光模块的后续量产打下了技术基础。

400 Gbit/s PAM4 CFP8光收发模块技术研究

针对日益增长的以太网带宽需求,提出一种四阶脉冲幅度调制(PAM4)的400Gbit/s外形封装可插拔(CFP8)光收发模块的解决方案。阐述了400Gbit/s标准主要测试指标、技术方案、CFP8的基本原理和结构框图,通过直接调制激光器和电吸收调制激光器两种方案对比,测试得到了优良的光眼图和电眼图,表明PAM4CFP8光模块是实现400Gbit/s以太网传输的良好解决方案,在高速光通信系统中具有广阔的应用前景。

一种集成接收机的信号处理方法

针对在光接入网中传统相干接收机存在成本高、算法处理复杂的问题,提出一种低成本的简化相干接收机(SCR)信号处理方法。发送端使用四电平脉冲幅度调制(PAM4)高阶码型进行信号调制,接收端对输出信号先后采用不平衡度补偿算法、反馈式全数字时钟恢复算法进行处理,并通过帧同步、码元判决后计算误码率。仿真及实验结果表明:所提方法在系统中有着良好性能,在输入信号光功率为-9 dBm时,系统误码率为10^(-4)量级,低于硬判决前向纠错(HD-FEC)门限的误码率判决。

一种用于400 Gb/s光模块测试的低成本PAM4信号BERT

针对400 Gb/s光模块在研发和生产等环节中的测试需求,提出一种低成本四阶脉冲幅度调制(PAM4)信号比特率误码测试仪(BERT)的设计方案。首先,介绍了BERT的总体方案和实现原理,并分析了400 Gb/s光模块测试对BERT的需求和光模块内部数字信号处理(DSP)芯片的特点;其次,根据不同的应用场景,详细说明了BERT的2种硬件实现形式和软件设计要点;最后,对该BERT进行了实际测试,给出了PAM4电信号和光信号的实测结果,结果表明该BERT可以满足实际应用的需求。

高速背板连接器测试校准技术研究

针对高速背板连接器PAM4性能测试校准的问题,对比分析了几种高速背板连接器的测试校准技术,重点论述了采用AFR校准技术进行夹具去嵌的解决方案。选取了典型的高速背板连接器进行了测试验证,解决了非同轴夹具去嵌的问题,提高了测试精度,具有较强的可操作性。

一种基于90 nm SiGe BiCMOS工艺的4×112 Gbit/s PAM-4跨阻放大器

基于90 nm SiGe BiCMOS工艺,设计了一种高速(4×112 Gbit/s)四阶脉冲幅度调制跨阻放大器电路。为了兼顾高带宽和低噪声,采用了并联反馈架构的输入级电路。提出一种新颖的基于双吉尔伯特单元的可变增益放大器结构来适应宽动态范围的输入电流。电路利用射级退化技术来提高带宽和改善线性度。芯片测试结果表明,光接收前端链路可以实现最大74 dBΩ的跨阻增益,带宽为32 GHz,输入参考噪声电流密度为5.6 pA·Hz^(-1/2),高至3 mA的输入电流峰峰值下总谐波失真小于5%。跨阻放大器芯片进一步集成至400G QSFP-DD模块,测试结果表明,模块性能满足400G以太网FR4标准的灵敏度和传纤距离要求。

一种40 Gbit/s PAM4串行信号接收均衡器

为了解决高速传输过程中四脉冲幅度调制串行信号的信道损耗问题,提出了一种半速率判决反馈结构均衡器。均衡器包括连续时间线性均衡单元、限幅单元、缓冲单元、半速率判决反馈均衡单元、解码单元和带隙基准。半速率判决反馈均衡单元采用奇偶双通道均衡技术对信号进行高频滤波补偿,利用半速率采样时钟提升了信号均衡效果,减少了均衡器功耗。均衡器基于40 nm CMOS工艺设计,电源电压为1.2 V,仿真结果表明,在数据速率为40 Gbit/s,插入信道损耗12.6 dB环境下,均衡器解码输出两路非归零码信号峰峰值抖动为4.2 ps,在0.1 UI之内,功率效率为1.98×10^(-12)J/bit,具有较高的能效。

利用2.5GHz光器件实现PAM4调制信号的传输技术研究

光通信系统中,高阶调制技术能以较低的电子速率实现更高的系统容量和更高的频谱效率,四阶脉冲幅度调制(PAM4)为以太网高速通信提供了一种有效可行的解决方案。为了满足集成化、低成本的需要,提出一种PAM4传输方案,并利用商用2.5 GHz光器件通过双通道耦合的方法,实现了5 Gbit/s PAM4信号的传输实验方案;并设计一种离线DSP方案,对传输实验结果的数据进行优化。测试结果显示得到了较好的眼图,表明该方案应用于短距互联,可提高系统传输效率。

PAM4模块在DWDM大数据中心互联系统的应用研究

设计并验证了由QSFP28(四通道小型可插拔封装)光模块构成的数据中心专用传输系统,通过使用PAM4(四阶脉冲幅度调制)信号调制方法使其能在超过80km的距离下支持4Tbit/s的传输速率。测试结果表明,该系统对于色散与非线性具有较好的冗余,当线路损耗为18dB时,所有通道仍然具有大于10%的冗余。该研究结果为高速数据中心中光模块应用奠定了一定的理论与实践基础。