2.2.1 光发射机

自从光通信系统商用以来，电光和光电转换器件，尤其是光电调制器，一直是光纤通信系统链路端到端信道带宽的瓶颈。这主要是因为设计宽带宽光电器件的同时需要保持较低的噪声水平，这对器件的制造和封装工艺是非常大的挑战。这需要在材料工艺、设计、制造和封装等多个不同领域都取得进步。近些年来，宽带宽器件的设计和制造取得了很大的进展，这也极大地增加了光纤通信系统的信道容量。但是，当前宽带宽器件还未有成熟的市场和生态系统，成本也相对高昂。因此，利用已经部署的商用光电器件结合高效的 DSP 也是当前的研究热点。本节重点介绍4种常用的器件：垂直腔表面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Semiconductor Laser, VCSEL）、DML、EML和MZM。

目前，大多数商业短距离（＜ 300m）数据中心内光互连均采用GaAs 850nm多模（Multimode, MM）VCSEL结合多模光纤（Multimode Fiber,MMF）的方案[2]。使用该方案可以实现超过30GHz的3dB调制带宽，并且功耗不到100fJ/bit。基于VCSEL和MMF方案的传输速率和传输距离主要受到模式色散的限制，不同的横向模式在MMF中以不同的传播速度传播，从而导致接收机端出现严重的码间干扰（Intersymbol Interference,ISI）。模式色散对系统性能的影响取决于从VCSEL源发射的横向模数，可以通过少模或单模操作减小或消除模式色散。单模（Simple Module,SM） VCSEL与MM VCSEL的技术相比，它可以在更长的距离上支持高频谱效率传输。但是，主要缺点是SM VCSEL通常输出功率有限，并且需要更复杂的光学对准。为了支持未来的超大规模数据中心以及500m和更长的光互连，需要部署SSMF。面向数据中心间光互连和用户接入网较长传输距离，VCSEL显然不能满足要求，本文不再对其展开分析和讨论。

DML 使用调制信号直接驱动激光偏置电流可以发射较高的输出功率，并且被认为比外部调制解决方案具有更高的功率和成本效益。此外，DML 的紧凑性还有助于与其他设备集成。这些优点使DML适用于对成本敏感的数据中心和接入网。但是，有限的调制带宽限制了高速数据传输。最近，已报道了几种用于增强DML调制带宽的新颖技术，包括多量子阱（Multiple Quantum Well,MQW）激光器设计、多段激光器设计和注入锁定技术[3-5]。O波段55GHz带宽DML如图2-3所示，MATSOI等[6]通过多段激光器设计了波长1300nm、具有55GHz调制带宽的DML，利用该DML实验验证了单信道112Gbit/s PAM4传输2.2km SSMF，而不需要任何离线DSP均衡算法。此外，结合高效 DSP 技术，使用已经部署的商业低成本10Gbit/s 级 DML 实现了单通道100Gbit/s传输45km SMF[7]。这些结果表明了DML在支持高速率传输的巨大潜力。除了带宽限制，基于DML的IMDD系统的另一个问题是DML固有的啁啾效应会拓宽频谱。相应地，可以通过光学和DSP技术解决啁啾效应问题并提高传输性能。

图2-3 O波段55GHz带宽DML[6]

用于IMDD光通信的外部调制器类型是MZM，它通过Mach-Zehnder干涉结构将两个相位调制器相结合实现强度调制。为了支持具有高级调制格式的高速传输，对高性能和小型MZM的需求不断增长。商业铌酸锂（LiNbO3）MZM 已被用于100Gbit/s 传输。但是，这些商用组件通常被包装到大型模块中，导致产品价格昂贵又耗电，从而阻碍了它们在客户端侧光接口（如可插拔光收发模块）的使用。为了解决以上问题，以低成本制造基于InP的MZM，可以用小尺寸进行单片集成。另一个有吸引力的方案是基于硅光子（SiP）的MZM，可以使用与半导体行业兼容的晶圆级技术制造。TW-MZM显微镜结构如图2-4所示，TW-MZM的每个臂都包含一个1.5mm长的相位调制器，该器件的3dB 带宽有22.5GHz，北京大学利用该器件结合高效 DSP 实现了192Gbit/s（96GBaud）PAM4和200Gbit/s（80GBaud）PAM6信号传输1km SSMF[8-9]。但是基于InP和SiP的MZM还处于发展初级阶段，离大规模工业生产和商用还有差距。DML、MZM和EML对比见表2-1,MZM的电光调制效率最低，所需驱动射频（Radio Frequency,RF）最高，但是MZM可以进行强度调制和相位调制，可以产生单边带信号用来抵抗色散影响。

图2-4 TW-MZM显微镜结构[8-9]

表2-1 DML、MZM和EML对比

集成有半导体激光器的EML已商用在10Gbit/s和25Gbit/s相应的光收发模块中。与DML相比，EML在带宽方面通常具有更好的性能；另一方面，与外部MZM相比，EML通常具有更小的尺寸、更低的驱动电压，但是成本较高。文献[10]使用25GHz 带宽的 EAM 实现100Gbit/s速率传输2km SSMF。丹麦技术大学设计的DFB激光器TWEAM封装结构和显微镜结构如图2-5所示，可以实现超过100GHz 的带宽[11]。使用该器件，在实时传输系统中验证了100Gbit/s NRZ-OOK信号，而不需要使用任何前置或后置信号处理算法。

图2-5 DFB激光器TWEAM封装结构和显微镜结构[11]

在PON中，需要考虑链路功率预算，发射机需要有较高的发射功率，考虑用户对成本更为敏感、高速率传输和光纤色散影响，O波段DML是最佳选择。相对PON而言，数据中心光互连可以容忍较高成本，高带宽的 EML 或 MZM 可以满足当前单信道100Gbit/s 和未来单信道200Gbit/s需求。