我们利用20GHz单模短腔垂直腔面发射激光二极管（VCSEL）在1525nm的传输波长下，在长达1.6km的标准单模光纤（SSMF）上实现了84Gb/s的四电平脉冲幅度调制（PAM-4）。不同的均衡器方法，包括通用前馈均衡器（FFE）、非线性Volterra均衡器（NLVE）、Max似然序列估计器（MLSE）及其组合，评估其作为标准PAM-4或部分响应PAM-4信号的均衡器的工作效果。实验证明，标准的FFE不足以实现>0.6km的传输距离，而使用NLVE或FFE+MLSE可以将传输距离提高到1km。部分响应PAM-4FFE（PR-FFE）与短内存MLSE结合使用，能够有效地平衡带宽限制，在1.6公里的传输距离上，与标准NLVE或FFE+MLSE相比，BER提高了10倍以上。使用部分响应NLVE代替PR-FFE进一步提高了性能，在1.6km传输距离后，BER低于KP4FEC阈值，BER限制为2E-4，允许无错误操作。
使用20GHzvcsel在1525nm波长上实现84Gb/sPAM-4在1.6kmSSMF-实验设置
VCSEL的结构
部署的单模短腔VCSEL基于Vertilas独特的InP埋地隧道结（BTJ）设计，具有非常短的光学腔。
短腔的概念是通过在VCSEL的上镜和下镜上部署介电材料来实现的。介质材料的高折射率使得仅使用3.5对反射镜即可实现非常高反射率的分布式布拉格反射器（DBR），与需要30-40对反射镜的半导体DBR相比，DBR要薄得多。这使有效腔长度减少了50%以上，并大大降低了光子寿命，这一效应直接增加了器件的带宽
InP BTJ VCSEL概念包括一个特定的处理步骤，其中大部分半导体材料被蚀刻掉，为晶圆上的每个激光器产生一个定义的半导体平台结构。这个制造步骤产生的空隙随后被苯并环丁烯（BCB）填充，这是一种聚合物材料，被旋转到晶圆上并在高温下固化。被测设计（DUT）的平台直径已进一步优化，以保持寄生到Min。如图1(a)所示，在室温下，光子寿命的降低和寄生率的降低都可以极大地提高调制带宽，Max可达20GHz。在更高的温度下，例如65°C，Max带宽减少到大约15GHz。这种Max调制带宽可以在11毫安的非常低的工作电流下实现。该激光器设计还特别注意实现小于1mA的极低阈值电流（ItH）和4mW的高光功率，如图1(b)所示。该激光器设计包括导波效应，能够抑制侧模，有利于主模，实现大于45dB的高侧模抑制比。
图1 (a)不同温度下短腔VCSEL的调制带宽与偏置电流的关系，(b)LIV和UI特性
综上所述，用于这些实验的器件是单模和偏振稳定的1550nm VCSEL，具有极低的阈值电流，高侧模抑制比（SSMF），高带宽和极低功耗等优异的器件参数。InP技术允许在O波段、C波段和L波段范围内生产各种通信应用的激光器。
传输设置和DSP
A.实验装置
PAM-4传输的实验设置包括发送端和接收端离线DSP单元如图2所示。此外，在VCSEL输出和垂直放置光纤和电探头的VCSEL芯片上获得的数据速率为84Gb/s（符号速率为42GBd）的PAM-4光学眼图如图2所示。
图2 实验设置和离线DSP步骤
对于传输，使用以下组件：离线生成的PAM-4信号通过Socionext数模转换器（DAC）转换成电信号，其采样速度为84GS/s。该DAC的标称分辨率为8位，3db带宽约为15GHz。然后，DAC的差分输出通过两个偏置三通管和两个电探头直接到VCSEL芯片。没有使用驱动器，DAC的差分输出摆幅约为800mV峰对峰。在传输时，选择12mA的偏置电流，在消光、VCSEL带宽和光输出功率之间取得非常佳平衡。在该偏置点，进入光纤的Max输出功率约为+1dbm，传输波长约为1525nm。为了将光耦合到光纤中，在VCSEL芯片上垂直放置了一根透镜光纤。光链路装置由一个传统的SSMF、一个集成功率监视器的可变光衰减器（VOA）和一个集成了线性反式阻抗放大器（PIN/TIA）的PIN-光电探测器（PicometrixPT-28E）组成，总带宽为30GHz。随后，安捷伦公司的80-GS/s实时示波器，带宽为29GHz，将接收到的信号数字化并存储，以供进一步的离线后处理
B.DSP作为发射器和接收器
在发送端，由两个长度为215的二进制De Bruijn序列产生一个灰度编码的PAM-4信号，其中一个序列移位一半序列长度以保证足够的去相关。在接下来的步骤中，信号被上采样两个因子，并在时域中用矩形滤波器进行整形，然后应用3分路预均衡器。在光学背靠背（b2b）模式下，前后光标被调整为z佳误码率。z后将信号量化后送入84-GS/s的DAC产生电PAM-4信号。
本文将对不同的接收机均衡器进行评估和比较。为此，首先将信号重采样为四倍过采样，去除直流分量，并通过以符号率估计谱线的相位来应用时钟恢复。之后，信号被下采样两倍，归一化和均衡。z后，采用z优阈值检测器对误码率进行计数
三种不同的均衡器被实现并相互组合。基于LMS准则的简单FFE，步长为µ=0.001，适用于所有传输场景。然后将FFE扩展为非线性FFE，可以解决VCSEL和光电二极管的非线性行为，称为非线性沃尔泰拉均衡器（NLVE）。利用Volterra方程，这个均衡器的输出可以写成
其中hn1，hn1,n2，hn1,n2,n3代表第1、第2和第3阶Volterra方程和N1,N2,N3表示深度。W为过采样因子，（k）为采样点k处的接收信号。同样，步长为µ=0.001的LMS准则用于确定核值。
这里要考虑的第三个均衡器是基于欧几里得距离度量和维特比算法的MLSE。为了降低MLSE的复杂性，我们只将其与前面的FFE或NLVE结合使用。在这种情况下，FFE（NLVE）基本上用于缩短脉冲响应，减少对MLSE的内存需求。
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