我们展示了一种自由运行的直接调制1580nm VCSEL，适用于支持云数据中心的混合无线/光学互连。通过6.5GHz无线链路和1km弯曲不敏感光纤，实现了1.25Gbps的无差错传输。
用于1.25Gbps混合无线光纤云光互连的自由运行L波段vcsel
数据中心应用对更高带宽、灵活性和可靠性的需求鼓励了对云计算架构的研究，重点是实现成本效益高、可扩展、并行光互连的高效数据中心。通信瓶颈被认为是不断增长的数据中心面临的Max挑战之一；这促使波分复用（WDM）光互连在高度聚合的数据流量链路中提供数据带宽可扩展性。混合无线光互连系统可以在云节点之间提供备用数据路径，允许进一步的流量扩展或提供改进的服务可靠性。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）器件由于其紧凑的尺寸和低的工作电流水平，适用于高密度云应用。没有温度或波长控制的VCSEL操作可以进一步降低能耗和发射机的复杂性。在波分复用（WDM）场景中，紧凑的L波段（1565nm至1625nm）VCSEL发射机通过增加波长信道化来增强带宽缩放。在云数据中心环境中，由于物理空间的限制，服务器密度较高，因此推荐使用G.657型弯曲不敏感光纤。BIF具有类似于G.652单模光纤（SMF）的光学特性，但其减少的宏观弯曲损耗使光学工厂基础设施的安装间隙更紧，从而增加了云服务器安装中的节点密度
以前，光注入锁定（OIL）使工作在850nm和1540nm波长的VCSEL发射机能够在60GHz光纤无线电（RoF）系统中实现3Gbps调制。脉冲无线电超宽带（IR-UWB）在2m无线链路上以1Gbps的速度传输，使用850nmVCSEL设备。我们扩展了L波段VCSEL和混合无线电/光纤链路的先前工作，引入了一种新颖的自由运行的L波段VCSEL，工作在1580纳米的混合无线电/光纤互连中。在1375px空中链路和1km G.657BIF后，实现了数据速率为1.25Gbps的无差错传输，误码率（BER）低于10-9。这是已知的第1个自由运行的L波段VCSEL器件在实现混合光互连架构的混合无线电/光纤链路中的演示。
1580nmVCSEL的特征
L波段VCSELs具有工作电流要求低、体积小等优点，适用于宽带云光互连；这种装置的波长调谐也可用于WDM传输。我们实现了一种新型的1580nm VCSEL，型号为Vertilas VL-1585-10-SE-T4。该器件的阈值电流为0.85mA，在25°C下提供3.9mW的光功率，并且可以在没有温度或波长控制的情况下工作。VCSEL使用的原型机没有扎辫子；在器件孔径处对准一个劈裂的SMF尾纤，收集输出光束。
在功率和波长对施加偏置电流的响应方面，该器件的直流特性如图1a所示。插图显示了得到的光谱样本；非调制连续波（实心，黑色）和调制（红色，虚线）输出。器件波长在1575-1580nm之间变化；获得的Max光功率为0.6mW(-2.55dbm)；侧模抑制比（SMSR）为42dB。
图1 a)自由运行1580nm VCSEL的直流响应；功率（黑色三角形）和波长（蓝色圆圈）随偏置电流的变化。插图：在VCSEL输出处获得的样品光谱；
(b)误码率对PD输入功率的灵敏度，B2B（黑色方框）和1km BIF（红色圆圈）；
(c)在开关天线处观察到的眼睛（蓝色，顶部），1公里BIF后（粉红色，下方）。
系统架构
实现可选无线信令路径的WDM光互连基础设施可以通过缓解通信瓶颈和提高可靠性，显著提高云数据服务器中心架构的性能。云服务器架构的布局如图2a所示，其中WDM光互连（实色，蓝色）提供宽带通信平台；可实现替代无线连接（虚线，红色），以便在链路或节点故障时继续运行云服务。
所使用的评估布局如图2b所示。在集群节点，信号由脉冲模式发生器产生，该发生器提供不归零开关键（NRZ-OOK）脉冲；使用长度为27-1位的伪随机二进制序列（PRBS）数据模式。电子射频（RF）混频器用于将信号上转换为6.5GHz射频载波；在无线传输之前由此获得并放大的移幅键信号。在1375px无线链路的两端使用全向天线；这些型号为Geozondas AU-3.1G10.6G1，在6GHz时指定为10dBi增益。在交换节点，接收到的射频信号被放大，并通过匹配的射频混频器下转换到基带。在实践中，锁相环将消除本地产生的6.5GHz射频载波和接收到的射频信号之间的相位偏移，然而在本次评估中，电延迟线与射频载波的副本（来自集群节点）一起使用，以实现所需的相位校正。交换节点的下变频信号用于调制直调l波段VCSEL。自由运行的VCSEL偏置远离阈值，在其线性电压输入范围内工作；它的工作没有温度控制或波长稳定。在VCSEL输出端使用光功率计（OPM）来保证劈裂光纤和VCSEL孔径的z佳对准。使用光谱分析仪（OSA）验证进入BIF的干净光信号。交换机和网关节点之间使用的1km BIF衰减为1.2dB。在网关接收端，可变光衰减器用于调节光电二极管（PD）的输入功率。采用PD后放大，保证误码率测试仪（BERT）器件有足够的电压摆幅；采用1.8GHz PD后低通滤波，提高信噪比（SNR）。通过眼图观察和误码率对PD输入功率评估的灵敏度来表征系统性能。
结论
误码率对PD输入功率特性的灵敏度如图1b所示；眼图观测结果如图1c所示。我们观察到通过混合无线电/光纤链路在接收光功率为23.4dBm时，在1kmBIF传输后实现无差错传输；光传输裕度为20.95dB。从图1c所示的眼图中可以看出，在开关节点无线传输和下变频后得到的信号有一个清晰的睁开眼（蓝色，顶部），信噪比为6.58dB，峰值电压（Vpp）为340.4mV。通过1公里光纤进一步传输并在网关节点进行光检测后，获得的信号（粉色，下图）呈现清晰的睁开眼，信噪比为2.75dB。在1km BIF后观察到低于1dB的传输功率损失。
图2 (a)云服务器架构实现WDM光互连与备用无线连接
(b)实验布局：
BERT，误码率测试仪；
BIF，弯曲不敏感纤维；
OPM：光功率计；
OSA，光谱分析仪；
PPG，脉冲模式发生器。
我们已经演示了在云光学互连中通过混合无线电/光纤链路实现无差错数据传输的新型L波段VCSEL设备的使用；在55厘米的空中链路上实现了1.25Gbps，随后是自由运行的1580纳米VCSEL和1公里G.657 BIF。更远距离的无线传输可以用更高增益的放大器来实现。所使用的L波段VCSEL在没有温度控制的情况下运行，使其能够实现紧凑、节能的宽带收发器，适合部署在高密度云数据服务安装的WDM光互连中。在WDM光互连中成功实现这种混合无线电/光纤链路，突出了所使用VCSEL设备的灵活性，并显著提高了云服务架构的连接性、可靠性和性能。低传输惩罚鼓励进一步研究VCSEL在互连应用中的可用性。这些结果鼓励进一步研究WDM光互连的潜力，以支持云交付系统，同时降低能耗。
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