我們利用20GHz單模短腔垂直腔面發(fā)射激光二極管（VCSEL）在1525nm的傳輸波長下，在長達(dá)1.6km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）上實(shí)現(xiàn)了84Gb/s的四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）摩桶。不同的均衡器方法桥状，包括通用前饋均衡器（FFE）、非線性Volterra均衡器（NLVE）硝清、Max似然序列估計(jì)器（MLSE）及其組合辅斟，評(píng)估其作為標(biāo)準(zhǔn)PAM-4或部分響應(yīng)PAM-4信號(hào)的均衡器的工作效果。實(shí)驗(yàn)證明芦拿，標(biāo)準(zhǔn)的FFE不足以實(shí)現(xiàn)>0.6km的傳輸距離士飒，而使用NLVE或FFE+MLSE可以將傳輸距離提高到1km。部分響應(yīng)PAM-4FFE（PR-FFE）與短內(nèi)存MLSE結(jié)合使用防嗡，能夠有效地平衡帶寬限制变汪，在1.6公里的傳輸距離上，與標(biāo)準(zhǔn)NLVE或FFE+MLSE相比蚁趁，BER提高了10倍以上裙盾。使用部分響應(yīng)NLVE代替PR-FFE進(jìn)一步提高了性能，在1.6km傳輸距離后他嫡，BER低于KP4FEC閾值番官，BER限制為2E-4，允許無錯(cuò)誤操作钢属。
使用20GHzvcsel在1525nm波長上實(shí)現(xiàn)84Gb/sPAM-4在1.6kmSSMF-實(shí)驗(yàn)設(shè)置
VCSEL的結(jié)構(gòu)
部署的單模短腔VCSEL基于Vertilas獨(dú)特的InP埋地隧道結(jié)（BTJ）設(shè)計(jì)，具有非常短的光學(xué)腔染乌。
短腔的概念是通過在VCSEL的上鏡和下鏡上部署介電材料來實(shí)現(xiàn)的山孔。介質(zhì)材料的高折射率使得僅使用3.5對反射鏡即可實(shí)現(xiàn)非常高反射率的分布式布拉格反射器（DBR），與需要30-40對反射鏡的半導(dǎo)體DBR相比荷憋，DBR要薄得多台颠。這使有效腔長度減少了50%以上，并大大降低了光子壽命勒庄，這一效應(yīng)直接增加了器件的帶寬
InP BTJ VCSEL概念包括一個(gè)特定的處理步驟串前，其中大部分半導(dǎo)體材料被蝕刻掉，為晶圓上的每個(gè)激光器產(chǎn)生一個(gè)定義的半導(dǎo)體平臺(tái)結(jié)構(gòu)实蔽。這個(gè)制造步驟產(chǎn)生的空隙隨后被苯并環(huán)丁烯（BCB）填充荡碾，這是一種聚合物材料，被旋轉(zhuǎn)到晶圓上并在高溫下固化局装。被測設(shè)計(jì)（DUT）的平臺(tái)直徑已進(jìn)一步優(yōu)化玩荠，以保持寄生到Min漆腌。如圖1(a)所示，在室溫下阶冈，光子壽命的降低和寄生率的降低都可以極大地提高調(diào)制帶寬闷尿，Max可達(dá)20GHz。在更高的溫度下女坑，例如65°C填具，Max帶寬減少到大約15GHz。這種Max調(diào)制帶寬可以在11毫安的非常低的工作電流下實(shí)現(xiàn)匆骗。該激光器設(shè)計(jì)還特別注意實(shí)現(xiàn)小于1mA的極低閾值電流（ItH）和4mW的高光功率劳景，如圖1(b)所示。該激光器設(shè)計(jì)包括導(dǎo)波效應(yīng)碉就，能夠抑制側(cè)模盟广，有利于主模，實(shí)現(xiàn)大于45dB的高側(cè)模抑制比瓮钥。
圖1 (a)不同溫度下短腔VCSEL的調(diào)制帶寬與偏置電流的關(guān)系筋量，(b)LIV和UI特性
綜上所述，用于這些實(shí)驗(yàn)的器件是單模和偏振穩(wěn)定的1550nm VCSEL碉熄，具有極低的閾值電流桨武，高側(cè)模抑制比（SSMF），高帶寬和極低功耗等優(yōu)異的器件參數(shù)锈津。InP技術(shù)允許在O波段呀酸、C波段和L波段范圍內(nèi)生產(chǎn)各種通信應(yīng)用的激光器。
傳輸設(shè)置和DSP
A.實(shí)驗(yàn)裝置
PAM-4傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)置包括發(fā)送端和接收端離線DSP單元如圖2所示琼梆。此外性誉，在VCSEL輸出和垂直放置光纖和電探頭的VCSEL芯片上獲得的數(shù)據(jù)速率為84Gb/s（符號(hào)速率為42GBd）的PAM-4光學(xué)眼圖如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和離線DSP步驟
對于傳輸茎杂，使用以下組件：離線生成的PAM-4信號(hào)通過Socionext數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)错览，其采樣速度為84GS/s。該DAC的標(biāo)稱分辨率為8位蛉顽，3db帶寬約為15GHz蝗砾。然后先较，DAC的差分輸出通過兩個(gè)偏置三通管和兩個(gè)電探頭直接到VCSEL芯片携冤。沒有使用驅(qū)動(dòng)器，DAC的差分輸出擺幅約為800mV峰對峰闲勺。在傳輸時(shí)，選擇12mA的偏置電流，在消光毕荐、VCSEL帶寬和光輸出功率之間取得非常佳平衡添祸。在該偏置點(diǎn)，進(jìn)入光纖的Max輸出功率約為+1dbm，傳輸波長約為1525nm衙耕。為了將光耦合到光纖中昧穿，在VCSEL芯片上垂直放置了一根透鏡光纖。光鏈路裝置由一個(gè)傳統(tǒng)的SSMF橙喘、一個(gè)集成功率監(jiān)視器的可變光衰減器（VOA）和一個(gè)集成了線性反式阻抗放大器（PIN/TIA）的PIN-光電探測器（PicometrixPT-28E）組成时鸵，總帶寬為30GHz。隨后厅瞎，安捷倫公司的80-GS/s實(shí)時(shí)示波器饰潜，帶寬為29GHz，將接收到的信號(hào)數(shù)字化并存儲(chǔ)和簸，以供進(jìn)一步的離線后處理
B.DSP作為發(fā)射器和接收器
在發(fā)送端彭雾，由兩個(gè)長度為215的二進(jìn)制De Bruijn序列產(chǎn)生一個(gè)灰度編碼的PAM-4信號(hào)，其中一個(gè)序列移位一半序列長度以保證足夠的去相關(guān)锁保。在接下來的步驟中薯酝，信號(hào)被上采樣兩個(gè)因子，并在時(shí)域中用矩形濾波器進(jìn)行整形身诺，然后應(yīng)用3分路預(yù)均衡器蜜托。在光學(xué)背靠背（b2b）模式下，前后光標(biāo)被調(diào)整為z佳誤碼率霉赡。z后將信號(hào)量化后送入84-GS/s的DAC產(chǎn)生電PAM-4信號(hào)橄务。
本文將對不同的接收機(jī)均衡器進(jìn)行評(píng)估和比較。為此穴亏，首先將信號(hào)重采樣為四倍過采樣蜂挪，去除直流分量，并通過以符號(hào)率估計(jì)譜線的相位來應(yīng)用時(shí)鐘恢復(fù)嗓化。之后棠涮，信號(hào)被下采樣兩倍，歸一化和均衡刺覆。z后严肪，采用z優(yōu)閾值檢測器對誤碼率進(jìn)行計(jì)數(shù)
三種不同的均衡器被實(shí)現(xiàn)并相互組合∏迹基于LMS準(zhǔn)則的簡單FFE驳糯，步長為μ=0.001，適用于所有傳輸場景氢橙。然后將FFE擴(kuò)展為非線性FFE酝枢，可以解決VCSEL和光電二極管的非線性行為，稱為非線性沃爾泰拉均衡器（NLVE）悍手。利用Volterra方程帘睦，這個(gè)均衡器的輸出可以寫成
其中hn1袍患，hn1,n2，hn1,n2,n3代表第1竣付、第2和第3階Volterra方程和N1,N2,N3表示深度诡延。W為過采樣因子，（k）為采樣點(diǎn)k處的接收信號(hào)古胆。同樣孕暇，步長為μ=0.001的LMS準(zhǔn)則用于確定核值。
這里要考慮的第三個(gè)均衡器是基于歐幾里得距離度量和維特比算法的MLSE赤兴。為了降低MLSE的復(fù)雜性妖滔，我們只將其與前面的FFE或NLVE結(jié)合使用。在這種情況下桶良，F(xiàn)FE（NLVE）基本上用于縮短脈沖響應(yīng)座舍，減少對MLSE的內(nèi)存需求。
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