简介

近年来，数据中心和高性能计算机需要高速、低功耗的光互连来支持不断提高的数据传输速率。为提高带宽效率，数据传输速率超过 200G 的以太网采用了 PAM4 信号。然而，传统的 PAM4 发射器依赖于数字信号处理器 （DSP）、数模转换器 （DAC） 和线性驱动器等高功耗组件，每个组件的功耗都高达数百毫瓦。

本文讨论基于三并联硅基光电子马赫-泽恩德调制器（MZM）的灵活光发射器架构，该架构无需 DSP 或 DAC 即可生成 PAM4 信号、执行预失真和应用预加重。这种创新方法将信号处理转移到光域，大大降低了功耗。

发射机架构

如图 1 所示，拟议的发射机架构包括由温度计编码信号驱动的三并行 MZM。

 图 1：使用三并联 MZM 和温度计编码的灵活光发射器结构。三并联 MZM

三并联 MZM 的原理图如图 2（a）所示。输入光通过一个可变耦合器被分成三个臂，其比例可通过热光学移相器（φ1 至 φ4）进行调节。三个臂之间的相位差由 θ1 和 θ2 控制，以确保分光的同相组合。

 图 2. （a） 示意图。（b） 温度计代码。如图 2（b）所示，臂 i、j 和 k 中的 MZM 由温度计编码信号驱动。在温度计编码中，眼位 3、2 和 1 分别与 i、j 和 k 的比特一一对应。对每个 PAM4 眼高度的独立控制可生成等距的 PAM4 眼，而不会产生额外的光损耗。

预失真和预加重

三并行 MZM 可通过调整眼高度使其更宽或更窄来生成预失真信号，从而放宽对接收器线性度的要求。此外，通过将输入光集中到 k 臂并仅驱动 MZM k，还可生成预加重 NRZ 信号，与 PAM4 相比，可将驱动器功耗降低三分之一。

所有驱动信号共享相同的定时，从而简化了集成复位时电路的控制。作为均衡器的符号延迟可通过调整可变耦合器的比率生成预加重的 NRZ 信号，从而无需使用功耗高的数字乘法器。

仿真结果

作者使用硅肋波导 MZM 设计了拟议的发射器，并根据精确的 Verilog-A 模型进行了电路仿真评估。MZM 由电压为 2V 的推挽信号驱动。

图 3（a） 显示了通过微调耦合器比率产生的模拟等距 32-Gbaud PAM4 信号。与接收器的噪声相比，大开眼度已经足够，而且不会产生额外的光损耗。

 图 3. 模拟眼图。（a） 32-Gbaud 等距 PAM4。（b） 32-Gbaud 预失真 PAM4。（c） 无预加重的 64-Gbaud NRZ。（d） 具有预加重功能的 64 Gbaud NRZ。图 3（c） 和图 3（d） 分别显示了模拟的 64-Gbaud NRZ 调制信号（无预加重）和预加重信号（有预加重），表明发射机具有多功能性，无需 DSP 或 DAC 参与即可生成各种信号格式。

功耗比较

表 1 比较了拟议光发射器和传统光发射器的估计功耗。拟议的发射器无需 DSP 和 DAC，大大降低了功耗。虽然需要三个驱动器而不是一个，但使用高效推挽式驱动器抵消了增加的功耗。用于可变耦合器加热器控制的额外功耗可以忽略不计。

表 1：估计功耗比较。

总体而言，与传统发射器相比，建议的发射器功耗估计可降低约三分之一，有助于降低数据中心和高性能计算系统的功耗。
结论

所提出的基于三并联硅 MZM 的无 DSP 和 DAC 光发射器为在光域生成 PAM4 信号、预失真和预加重提供了灵活、高能效的解决方案。通过利用温度计编码和可变耦合器，该架构无需高功耗的 DSP、DAC 和线性驱动器，从而将功耗降至传统发射机的三分之一。这种创新方法推进了在数据中心和高性能计算系统中实现更节能的光互连。