华中科技大学付松年教授课题组面向数据中心间光互联的PAM-4传输技术研究进展
近年来,由于云服务、实时视频、在线社交网络等应用的迅速发展,对数据中心光互联的传输容量需求也急剧增长。然而,数据中心光互联对成本、功耗和占用空间非常的敏感,在大容量长距离光传输应用中较为成熟的单信道100 G或400 G相干传输方案在数据中心光互联中无法采用。因此,人们对结合了高级调制格式和数字信号处理(DSP)的强度调制直接探测方案予以关注。相比于离散多音频(DMT)和无载波幅度相位调制(CAP)等高级调制格式,PAM-4码型由于结构简单、易于实施且无需DAC等优点,在数据中心光互联中有广泛应用。
面向数据中心光互联的PAM-4传输技术的主要难点是解决诸如光电器件带宽受限、信号-信号间的拍频噪声(SSBN)、光纤色散(CD)以及光纤非线性等传输损伤。付松年教授指导的硕士研究生周世伟提出在发射端使用一个延迟干涉仪实现残留边带调制(VSB)的PAM-4信号,提升信号对光纤色散的容忍度,消除光纤色散造成的频率选择性衰落。此外,还提出使用沃尔泰拉均衡器(VF),通过其一、二、三阶核对光电器件带宽受限、SSBN以及光纤非线性的传输损伤进行数字均衡。利用该方案,仅用18 GHz带宽的1550nm直接调制激光器实现了2×56 Gb/s的PAM-4信号在标准单模光纤中传输100 km。该成果以论文形式发表于Optics Letters, Vol.41, No.8, 1805-1808 (2016)上,论文题目为“Transmission of 2 × 56 Gb/s PAM-4 signal over 100 km SSMF using 18 GHz DMLs”。硕士研究生周世伟为第一作者,付松年教授为通讯作者。
图1 Experimental setup. (AWG, arbitrary waveform generator; PD, photodetector; DSO, digital storage oscilloscope; DSP, digital signal processing).
图2 BER performances of the 28 GBaud PAM4 signal versus the transmission distance for channel 2. (a) Effect of the DI. (b) Optimization of the digital equalizer.
在数据中心光互联中,DSP的计算复杂度是一个很重要的考虑因素,因为它关系到接收机的功耗以及实时性。特别是对于高计算复杂度的非线性均衡器,研究降低其计算复杂度显得非常重要。付松年教授指导的硕士研究生高帆提出了一种算法可以识别并筛除VF均衡器中不重要的核,从而得到一种低计算复杂度的稀疏沃尔泰拉均衡器(SVF)。利用该方案,使用18GHz带宽的1310nm直接调制激光器实现了2×64 Gb/s的PAM-4信号在标准单模光纤中传输70 km,所使用的SVF均衡器仅使用VF一半的计算复杂度就实现了相似的数字均衡性能。该成果以论文形式发表于Optics Express, Vol.25, No.7, 7230-7237 (2017)上,论文题目为“2 × 64 Gb/s PAM-4 transmission over 70 km SSMF using O-band 18G-class directly modulated lasers (DMLs)”。硕士研究生高帆为第一作者,付松年教授为通讯作者。
图3 Experimental setup of O-band 2 × 64 Gb/s PAM-4 transmission with DSP flow. Insert: (i) optical spectral at the transmitter side; eye-diagram of the PAM-4 signal (ii) before and (iii) after SVF equalizer.
图4 BER of 28 GBaud PAM-4 signal versus the received power after 70 km SSMF transmission (a) for two channels and (b) with various equalization techniques.
此外,付松年教授团队还与武汉邮科院国家重点实验室课题组开展合作,在Optical Fiber Communication Conference (OFC)这一光通信领域顶级会议上发表了相关研究工作,如“Transmission of 4×28-Gb/s PAM-4 over 160-km Single Mode Fiber using 10G-Class DML and Photodiode” (OFC 2016, W1A.5)和“4 × 28 Gb/s PAM4 long-reach PON using low complexity nonlinear compensation“ (OFC 2017, M3H.4)等。
以上项目得到了国家863项目(2015AA015502)、国家自然科学基金面上(61575071, 61711530043)的资助,并得到下一代互联网接入系统国家工程实验室各位老师的大力支持。
来源:华中科技大学