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-简介
云应用、服务和基础设施的大规模增长使数据中心IP流量的年增长率达到了25%。这种巨大的增长广泛地推动了对更高数据速率的需求，以及新一代50Gb/s及以上的高速收发器的需求。然而，数据中心的环境，特别是短距离应用，对成本、功耗和占用空间非常敏感，需要高容量、低成本和小尺寸的解决方案。
基于强度调制和直接检测（IM/DD）的调制格式与数字信号处理和编码相结合，将在未来的数据中心网络中发挥重要作用，因为它们能够提高频谱效率，减少信道数，从而降低成本和功耗。IEEE P802.3bs任务组标准化了四电平脉冲幅度调制（PAM-4），用于通过单模光纤（SMF）的下一代400Gbe传输。到目前为止，已经定义了三种光接口类别：超过500米的4×100Gb/s并行光纤传输（400GBASE-DR4），800GHz载波间隔的8×50Gb/s WDM传输，2公里（400GBASE-FR8）和10公里（400GBASE-LR8），所有这些都在1300nm传输窗口中。为了进一步降低成本，第二代可能会在2公里和10公里的距离上使用四个波长，每个波长100Gb/s。因此，需要开发新的组件和/或使用数字信号处理（DSP）来实现这样的传输速度和范围。
表1 单模容器在1550nm和直接检测下的透射记录
*OH=所需FEC开销
**BL&PL=位和功率加载
近年来，在开发下一代数据中心应用的长波高速垂直腔面发射激光器（VCSELs）方面，研究工作取得了稳步进展。虽然VCSELs主要用于多模式应用，但其低功耗，占地面积小，易于集成以及高达80°C的非冷却操作的可能性使其在长波的数据中心应用中也很有趣。此外，与分布式反馈激光器（DFB）和Si PHotonics等竞争技术相比，VCSELs可能更便宜。使用1530nm的VCSEL和双分导前馈预强调驱动器，在无错误运行下，在2km范围内实现56Gb/s的不归零（NRZ）。为了应用高阶调制格式，需要前向纠错（FEC）编码。有人在1530nm的18gHz带宽VCSEL下，在高达2km的SSMF上展示了56Gb/sPAM-4。假设硬判罚（HD）FEC为7%，需要在接收端进行强大的均衡。在2010年，还有人演示了56Gb/s的PAM-4，误码率（BER）低于1E-6，用于光学背靠背（b2b），由4分频预强调驱动器和22GHz VCSEL在1533nm下启用。我们演示了56Gb/s和84Gb/sPAM-4传输，分别超过15km和1km的SSMF，使用18GHz长波长VCSEL在1525nm使用简单的收发器DSP和假设HD-FEC，带宽限制为3.8E-3。与长波长VCSELs相结合的多载波格式也进行了研究。还有人演示了使用单个1550nm VCSEL实现高达115Gb/s（~95.8Gb/s净速率）的离散多音（DMT）传输，假设HD-FEC开销为20%，带宽限制为1.5E-2。使用18GHzVCSEL，在1530nm的传输波长下，在高达12km的SSMF上演示了56Gb/s的单边带DMT传输。再次假设7%FEC，BER限制为3.8E-3。
然而，除了提到的VCSELs的优点之外，这些出版物还揭示了在1550nm使用VCSELs的一些严重障碍。色散与VCSEL的频率啁啾和低消光比（通常在3到5dB左右）相结合，导致功率预算紧张和传输距离短，在更高的数据速率下变得更糟。此外，VCSEL的非线性和22GHz左右的Max带宽给系统带来了进一步的挑战。因此，需要强大的信号处理/均衡，以允许使用VCSELs传输100Gb/s的数据速率，并实现经济高效的高容量链路。本文利用基于Volterra定理和极大似然序列估计（MLSE）的非线性均衡扩展了中的结果。使用这种均衡技术，在传输波长为1525nm的20gGHzVCSEL下，在1.6km SSMF上演示了低于标准KP4fecc阈值的84Gb/sPAM-4的传输结果，其传输限制为2E-4。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。
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