EP56. 光通訊系統技術概論與發展趨勢

光通訊系統主要依據應用場景劃分為資料中心通訊(Datacom)與電信通訊(Telecom)兩大領域。資料中心通訊負責內部與資料中心間的網路互連,其技術發展朝向小型化,並採用矽光子(SiPh)技術與共同封裝光學元件(Co-packaged Optics)以提升通道速率與互連密度。電信通訊則負責廣域的跨城市與跨國資料傳輸,主要仰賴高密度波長多工(DWDM)與同調通訊(Coherent)技術以達成高容量傳輸。

隨著傳輸速率與距離的需求日益增加,系統中的核心設備為可插拔光收發模組(Pluggable optical transceiver),負責在電子客戶端介面與光學線路端之間進行高速的光電轉換。本文參考ISSCC26 Short Course之內容,探討光通訊系統的基礎架構、光纖傳輸的物理特性,以及強度調變與直接偵測(IMDD)與同調通訊技術之發展脈絡。

1. 背景知識

1.1. 光通訊系統

光通訊系統可根據應用場景分為資料中心通訊 (Datacom) 與電信通訊 (Telecom) 兩大領域:

source: Yole

Datacom (資料中心通訊)

主要負責資料中心內部與資料中心之間的網路互連。

• 資料中心內部 (Intra data center / Intra-DC Network): 包含伺服器對伺服器 (Server-Server)、機架頂部交換機對葉交換機 (TOR-Leaf)、葉交換機對脊交換機 (Leaf-Spine) 以及脊交換機對核心 (Spine-Core) 的連結。

• 資料中心互連 (Inter data center / Cloud/DC interconnects): 負責連結不同的資料中心，通常屬於都會接取 (Metro access) 範圍。

Telecom (電信通訊)

負責廣域的資料傳輸與終端用戶接取，涵蓋城市間的連結與跨國傳輸

• 核心與都會網路 (Metro core / Metro links): 負責連結不同城市，建構都會環狀網路 (Metro ring network)。

• 長途與海底網路 (Long-haul / Submarine networks): 用於極長距離的資料傳輸，連結不同的都會環狀網路。

• 接取網路: 包含光纖到府 (Fiber-to-the-home, PON/FTTx) 以及無線網路 (LTE/5G) 的前傳 (fronthaul) 架構。

在技術趨勢上，都會與長途網路主要仰賴 DWDM/ZR+ (同調通訊) 技術來達成高容量傳輸。而資料中心內部則朝向小型化發展，採用矽光子 (SiPh) 技術、線性驅動可插拔光學元件 (Linear drive pluggable optics, LPO) 以及共同封裝光學元件 (Co-packaged Optics) 來提升通道速率與互連密度。

容量與範圍比較

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

針對資料中心互連 (Data Center Interconnect, DCI) 的光通訊鏈路，其主要任務是提供不同資料中心實體之間的高容量與低延遲連線。

核心組件與轉換介面

• 交換晶片 (Switch ASIC)： 位於網路設備核心，負責高吞吐量的資料封包交換與路由。

• 電子客戶端介面 (Electrical client interface)： 負責在交換晶片與光收發模組之間傳遞高速雙向電訊號。

• 光收發模組 (Optical transceiver)： 執行關鍵的光電轉換作業。在 DCI 的傳輸應用中（通常介於 10 公里至 80 公里），此模組常會採用同調通訊技術與高密度波長多工（DWDM）技術，以確保長距離下的訊號完整性與極高傳輸容量。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

光線路端 (Optical line side) 傳輸架構

• 雙向雙纖傳輸：

  • 系統配置兩條獨立的光纖 (Optical fibers) 或波導，分別專用於發送與接收資料。

  • DCI 應用中常搭配空間或波長多工 (space or wavelength multiplexing) 技術，在光纖內部疊加多個訊號通道，進一步擴展單一鏈路的資料吞吐量。

• 單纖雙向傳輸 (Bidirectional transmission)：

  • 兩端設備僅需透過單一條光纖連接。

  • 系統利用不同的波長 (using different wavelengths) 來精準分離傳送與接收的光訊號，使雙向資料能同時在同一實體通道中運行。

  • 此架構能大幅節省 DCI 跨廠區或跨城市佈建時的光纖芯數資源與實體租賃成本。

  • OCI-MSA也採用此架構，減少實體光纖的數量(請參考: EP55. 微型光頻梳(micro OFC)在AI矽光子互連應用之技術解析與發展趨勢)。

    

source: Lightmatter

1.2. Optical Transceiver

可插拔光收發模組 (Pluggable optical transceiver) 是光通訊系統中負責執行高速光電轉換的核心設備，其系統架構介於電子客戶端介面 (Electrical client side) 與光學線路端介面 (Optical line side) 之間。以下介紹典型的光收發模組，依據訊號處理流程與硬體架構進行拆解(請參考:EP38. 解析 3.2T 光通訊實體層技術 )。

數位訊號處理與轉換層 (CMOS DSP Chip)

負責在數位與類比訊號之間進行轉換與訊號優化

• Tx-DSP / Rx-DSP (數位訊號處理器)： 發送端 (Tx) 與接收端 (Rx) 的 DSP 負責執行高階調變格式處理及訊號補償（例如色散補償），以確保訊號在長距離傳輸下的完整性。

• DAC (數位類比轉換器) / ADC (類比數位轉換器)： DAC 負責將 Tx-DSP 輸出的數位訊號轉換為類比訊號；ADC 則負責將接收端前端傳來的類比訊號數位化，交由 Rx-DSP 處理。

電子積體電路層 (EIC, Electrical Integrated Circuit)

EIC扮演類比電訊號與光學元件之間的驅動與放大橋樑。

• Multi-channel Driver EIC (多通道驅動器)： 接收來自 DAC 的類比電訊號，將其放大至足夠的電壓或電流位準，以驅動後端的光調變器。

• Multi-channel Receiver EIC (多通道接收器)： 負責接收前端光偵測器所轉換出的微弱電訊號，進行初步的訊號放大與整形，再傳遞給後端的 ADC。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

光學與光電轉換層 (Optical Components)

此層級負責實際的「電轉光 (E/O)」與「光轉電 (O/E)」物理轉換程序。

• Laser Array (雷射陣列)： 為發送端提供穩定的連續波 (Continuous Wave) 光源。

• Optical Modulator Array (光調變器陣列)： 根據 Driver EIC 傳來的電訊號變化，改變雷射光源的光學特性（如振幅或相位），完成電轉光調變。

• Optical Detector Array (光偵測器陣列)： 在接收端負責捕捉光訊號，將其轉換為對應的微弱電流訊號。

光學多工與線路介面 (MUX / DeMUX)

負責管理不同波長在實體光纖中的匯聚與分離。

• MUX (波長多工器)： 將調變器陣列輸出之多個不同波長的光訊號進行合併，耦合至單一發送光纖 (Optical line side) 中。

• DeMUX (波長解多工器)： 接收來自光纖的複合光訊號，將其按波長分離，並引導至對應通道的光偵測器進行解析。

1.3. 技術分類

在追求更高資料傳輸率（Data Rate）與更長傳輸距離（Reach）的發展趨勢下，光通訊技術主要可劃分為三個核心領域的演進：調變（Modulation）、發射器（Transmitter）與偵測（Detection）:

調變技術 (Modulation)

• 在強度調變與直接偵測（IMDD）架構中，系統主要採用 NRZ 與 PAM4 調變。NRZ 適用於相對較低的資料傳輸率與較短的傳輸距離。當傳輸速率需求進一步提升時，系統會過渡至 PAM4，其優勢在於能在相同的符元率下傳遞雙倍的位元資訊，有效提升傳輸容量。

• 在同調通訊（Coherent）架構中，為了應對超高資料傳輸率與極長傳輸距離的極端應用場景，系統會採用 IQ 調變。IQ 調變能同時控制光載波的振幅與相位，藉此最大化頻譜效率，突破傳統 IM/DD 架構的物理限制。

source: Cisco

發射器技術 (Transmitter)

• VCSEL (垂直共振腔面射型雷射): 主要定位於低速率與極短距離的應用(請參考: EP41. 1060nm VCSEL 技術突破: CPO的明日之星 )。

• DML (直接調變雷射) 與 EML (電吸收調變雷射): 隨著速率與距離增加，系統過渡至 DML，進而採用效能更佳（Chirp 較小）的 EML(請參考:EP9: Light sources )。

• Mach-Zehnder (馬赫-曾德爾調變器): 針對長距離與超高速率的極端需求，必須採用外部調變的 Mach-Zehnder 架構。圖片特別註明，矽光子 (Silicon Photonics) 技術即是基於 Mach-Zehnder 調變器所建構。

source: Yole

偵測技術 (Detection)

• Direct (直接偵測): 應用於中短距離與中低速率場景，直接偵測光訊號的強度（振幅）。

• Coherent (同調偵測): 為了突破長距離與高資料傳輸率的物理限制，系統全面轉向同調偵測。同調偵測能夠同時解析光訊號的振幅、相位與偏振態。

關鍵輔助技術：DSP (數位訊號處理)

• 克服物理限制： DSP 技術利用 CMOS 製程的運算能力，來克服光學元件在實體層面的物理限制。

• 優化同調通訊： 同調偵測技術之所以能大幅提升效能，正是高度仰賴 DSP 演算法來進

針對強度調變與直接偵測（IMDD）系統，發射端的光調變架構主要分為具備成本效益的直接調變（Direct Modulation），以及針對高效能傳輸設計的間接調變（Indirect Modulation）:

直接調變 (Direct Modulation)

直接調變架構的設計較為單純，其核心原理是直接控制發光元件的驅動電源來改變光強。

• 訊號轉換： 系統透過雷射驅動器 (Laser Driver) 接收電壓形式的調變訊號 (Modulated Signal)。

• 電流注入： 雷射驅動器將電壓訊號轉換為動態變化的調變注入電流 (Modulated injection current)，並輸入至雷射二極體 (VCSEL; DML)。

• 光學輸出： 雷射二極體直接根據注入電流的強弱，發射出對應光功率變化的調變光輸出 (Modulated Light Output)。

間接調變 (Indirect Modulation)

間接調變（又稱外部調變）是將「光源產生」與「訊號調變」兩個動作分離。光源端持續發出穩定強度的光(CW)，再交由外部調變器來改變光學特性。圖片中展示了兩種常見的技術架構：

1. 馬赫-曾德爾干涉儀 (Mach-Zehnder Interferometer, MZI)

• 光源輸入： 系統接收穩定的連續波光學輸入 (Optical Input, CW)。

• 相位控制： 光束在干涉儀結構內被分為兩道，其中一條路徑設有普克爾斯盒 (Pockels Cell)。透過輸入調變電壓 (Modulation Voltage Input)，改變該路徑的光學相位。

• 干涉輸出： 當兩道光束重新匯聚時，會根據相位的差異產生建設性或破壞性干涉 (Interference: Constructive/Destructive)，進而轉換為強度調變的光學輸出 (Intensity Modulated Optical Output)。

2. 電吸收調變器 (Electro-Absorption Modulator, EAM)

• 整合架構： 圖片展示了將電吸收調變器整合於分散式回饋雷射 (DFB Laser) 後方的設計，兩者共用同一基板 (Substrate)。

• 光源供應： 前端的 DFB 雷射負責提供穩定的連續波輸出 (CW Output)。

• 吸收調變： 連續波進入後端的吸收材料 (Absorption Material) 區域。透過 EAM 接點施加電壓調變 (Voltage Modulation)，動態改變材料對光束的吸收率，藉此產生調變光輸出 (Modulated Optical Output)。

光通訊領域中強度調變與直接偵測（IMDD）與同調偵測（Coherent Detection）技術的應用版圖，正隨著傳輸速率與距離的需求發生顯著的板塊移動。

source: cisco

• 交界距離縮短： 隨著傳輸速率提升，IMDD 與同調技術的應用交界距離正逐漸縮短。

• 低速短距 IMDD 主導： 在較低速率或極短距離（如 100G 的 40km 內、800G 的 2km 內），IMDD 仍保有絕對優勢。

• 高速長距同調接管： 進入高速率時代（如 800G 與 1.6T），10km 以上的傳輸距離已由同調技術全面主導。

• 同調技術下放與標準化： 同調技術正向短距離應用延伸，產業焦點已轉向發展可插拔模組與跨供應商的互通標準（如 400ZR、800ZR/ZR+）。

2. Fiber(光纖) 特性

光纖在光通訊系統中扮演實體的傳輸媒介，負責將承載資料的光訊號以極低的衰減率在節點之間進行長距離與大容量的傳遞(請參考: EP46. 空芯光纖 (HCF) 突破: AI 互連實體層極限與商業化展望)。

2.1. Attenuation(衰減)

光纖與傳統有線傳輸 (以 Ethernet Category 6 為例) 在長距離傳輸的訊號耗損表現上有著極大的差異。

傳統銅線 (銅纜)

• Ethernet Category 6 (Cat 6 網路線): 在傳輸頻率為 200MHz 的情況下，訊號衰減高達約 290dB/km。這表示銅線在傳輸過程中訊號流失非常快，因此通常僅限於極短距離的應用（如辦公室內網或資料中心機架內部連結）。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

光纖 (Optical Fibers)

光纖整體的衰減率遠低於傳統銅線，但會根據材質、核心直徑 (Core diameter) 以及使用的光波長 (Wavelength, λ) 產生不同的傳輸表現：

• 塑膠光纖 (Plastic optical fiber):

  • 核心直徑：約 1mm。

  • 衰減表現：在波長 650nm 下約為 170dB/km。雖然耗損在光纖家族中偏高，但仍優於 Cat 6 銅線。

• 多模光纖 (Multimode optical fiber):

  • 核心直徑 50μm： 在波長 850nm 時衰減為 2.5dB/km；在波長 1.3μm 時降至 0.8dB/km。

  • 核心直徑 62.5μm： 在波長 850nm 時衰減為 3.5dB/km；在波長 1.3μm 時為 1.4dB/km。

• 單模光纖 (Single-mode optical fiber):

  • 核心直徑：極小，僅 8-10μm。

  • 衰減表現：提供極低的訊號耗損。在波長 1.3μm 時衰減約 0.35dB/km；在波長 1.55μm 時更低達約 0.25dB/km。

  • 在長途電信網路、跨城市資料中心互連 (DCI) 或海底電纜等需要長距離傳輸的場景中，必須全面採用單模光纖傳輸。

2.2. 色散(CD, Chromatic Dispersion)

光纖色散會導致訊號在傳輸過程中發生脈衝展寬，進而引發碼間干擾 (ISI)，這是限制光通訊系統最高傳輸速率與最大傳輸距離的主要原因。

色散（CD）的產生原因

光纖色散的產生主要源於光纖的材料特性與內部幾何結構。這兩項物理因素導致寬頻光訊號中，不同波長成分在光纖內的傳播速度（群速度）不一；各波長抵達接收端的時間產生落差，進而形成色散效應。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

對 O/C/L 頻段的影響

不同傳輸頻段在光纖中所受到的色散程度（色散參數 D，單位為 ps/nm/km）有顯著差異：

• O-band： 在 O 頻段區間，光纖的色散值極低。特別是在波長 1310nm 處，其色散參數 D = 0 ps/nm/km，資料中心多採用此頻段。

• C-band 與 L-band： 雖然光纖在 C 頻段（1530nm 至 1565nm）與 L 頻段具備最低的訊號衰減率，但其色散值相對偏高。例如在 C 頻段的 1550nm 波長下，色散參數達到 D = 17 ps/nm/km。

  • 由於訊號低衰減，Telecom (電信通訊)都使用這頻段。利用同調(Coherent)方式，處理色散問題

對信號的影響

色散對光訊號最直接的影響是造成脈衝展寬（Pulse spreading due to chromatic dispersion: pulse broadening）。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

• 波形變化： 當一個初始寬度為 T_in 的高斯脈衝（Gaussian pulse）輸入光纖後，經過長度為 L 的傳輸，輸出的脈衝寬度 T_out 會因為色散而變寬。

• 展寬程度： 脈衝展寬的時間差（ΔT）與色散參數的絕對值（|D|）、光纖長度（L）以及頻譜寬度（Δλ）的乘積成正比（ΔT = |D| * L * Δλ）。

• 系統限制： 脈衝展寬會嚴重限制光通訊系統的傳輸速率（Bitrate, B）與傳輸距離（L）。傳輸速率越高，受色散限制的最大傳輸距離就越短。

  • 以 1550nm 波長（D = 17 ps/nm/km）IMDD調變為例，當傳輸速率為 10Gb/s 時，傳輸距離必須小於 37km；若將傳輸速率提升至 100Gb/s，傳輸距離則會急遽縮短至小於 370m。

2.3. Chirp Penalty(啁啾代價)

在光通訊傳輸中，Chirp Penalty 是指發射端在進行數位訊號的振幅調變時，發光元件伴隨產生了非預期的光學相位或頻率調變 (即 Chirp)，進而導致光纖傳輸品質劣化的現象。

物理機制與連鎖反應

1. Laser on/off (雷射開關切換)： 在直接調變架構下，系統是直接透過快速改變驅動電流來控制雷射發光與否 (代表數位訊號的 1 與 0)。這種驅動電流的瞬間劇烈切換，會造成雷射內部共振腔的載子密度產生不穩定的波動。

2. Carrier line width (載波線寬展寬)： 雷射內部載子密度的波動，會連帶改變主動層介質的折射率。折射率的動態變化會干擾光波的相位，產生非預期的頻率偏移 (Chirp)。如前段所述，這個效應會直接導致發射出的光學載波線寬 (Carrier line width, Δλ) 顯著展寬。

3. CD (色散效應加劇)： 當載波線寬變寬，代表原本應該集中的光訊號，現在包含了更寬廣的波長成分。當這些複雜的波長成分進入光纖傳輸時，會受到色散 (Chromatic Dispersion, CD) 的影響，導致不同波長的光波在光纖中以不同的速度前進。線寬越寬，傳播速度的差異就越明顯。

4. ISI (碼間干擾)： 因為不同波長抵達接收端的時間落差擴大，光脈衝在時間軸上會發生嚴重的展寬現象 (Pulse spreading)。當高速傳輸下相鄰的光脈衝因為過度展寬而互相重疊時，便會形成碼間干擾 (Inter-Symbol Interference, ISI)。這使得接收端無法正確判別相鄰的位元，最終導致系統誤碼率飆高，成為限制最高傳輸速率與最大傳輸距離的關鍵物理瓶頸。

Chirp Penalty 限制系統效能的過程: Laser on/off ➔ Carrier line width widen ➔ Fiber CD ➔ ISI

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

Chirp 效應對直接調變系統的影響尤為嚴重。這點可由線寬增強因子 (linewidth enhancement factor, 符號為 α) 的差異來證實：

• 外部調變 (External modulation) 的 α 值通常小於 1。

• 直接調變 (Direct modulation) 的 α 值高達 4 到 10。

2.4. 偏振模色散(PMD)

偏振模色散 (Polarization Mode Dispersion, PMD) 是導致光訊號脈衝展寬 (Pulse spreading) 的一種現象。

產生原因

• 受到製造公差 (manufacturing tolerances) 的影響，光纖核心 (Fiber core) 可能會呈現微小的橢圓形 (slightly elliptical)。

• 光纖在彎曲 (bending) 時會產生機械應力 (mechanically stressed)。

• 這些物理形變與應力會導致光纖內部形成快軸 (fast axis) 與慢軸 (slow axis)。光訊號在不同偏振軸上的傳播速度產生差異，最終導致了脈衝的展寬。

環境影響特性

• PMD 具有動態變化的特性，其數值會隨著溫度 (temperature) 以及光纖位置 (fiber position) 的改變而發生變動。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

數值計算與新舊光纖比較

• 脈衝展寬的時間差 (ΔT) 可透過公式 ΔT = D_PMD * √L 進行計算。

• 針對新光纖 (New fiber)，其 D_PMD 數值為 0.1ps/km^1/2。在傳輸距離 10km 的情況下，產生的 ΔT 為 0.3ps。

• 針對舊光纖 (Old fiber)，其 D_PMD 數值為 1.0ps/km^1/2。在傳輸距離 10km 的情況下，產生的 ΔT 為 3.2ps。

• 新舊光纖本質上就是在說明現代光纖抽絲與旋轉製程對於克服 PMD 物理限制的關鍵作用。

2.5. 模態色散(Modal Dispersion)

模態色散 (Modal Dispersion) 是多模光纖 (Multi-Mode Fiber, MMF) 所面臨的最主要色散限制。

模態色散產生原因

當光纖的核心直徑 (core diameter) 相對於傳輸光波的波長足夠大時，光訊號進入光纖後，可以透過多種不同的路徑 (multiple pathways) 進行傳播，這些不同的光學路徑即稱為「模態」。

• 直線路徑： 部分光線會直接沿著光纖的中心軸心直線前進，這是最短的傳播路徑。

• 反射路徑： 其他光線則會在核心 (折射率為 n1) 與包層 (折射率為 n2) 的交界處產生全反射，以連續折線的方式前進，傳播路徑相對較長。

由於不同路徑的物理長度差異，光訊號的不同模態抵達接收端的時間會產生明顯的落差，這種現象即為模態色散。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

對多模光纖 (MMF) 的傳輸影響

模態色散會造成極度嚴重的光脈衝展寬，大幅限制多模光纖的傳輸能力。依據圖片中提供的公式與計算範例，脈衝展寬的時間差 (ΔT) 與傳輸距離 (L) 以及數值孔徑 (NA) 的平方成正比。其範例數值如下：

• 設定條件： 光纖核心折射率 n1 = 1.5，折射率相對差 (n1 - n2) / n1 = 1%。

• 傳輸距離： L = 10km。

• 產生延遲： 脈衝展寬 ΔT 高達 500ns (奈秒)。

系統性影響：

• 對單模光纖色散（如色度色散或偏振模色散），其脈衝展寬通常落在皮秒 (ps, 10^-12 ) 等級。而多模光纖僅在 10km 的距離下，模態色散就產生了 500ns (10^-9 ) 的巨大展寬，這比單模光纖的色散高出數個數量級。

• 脈衝展寬會引發嚴重的碼間干擾 (ISI)，導致接收端完全無法解析高速數位訊號。這項物理限制直接決定了多模光纖無法用於長途或都會網路傳輸，僅能侷限於資料中心內部 (如機架間互連) 等短距離的應用場景。

3. IMDD(強度調變與直接偵測)解析

強度調變與直接偵測（IMDD）光通訊鏈路是資料中心互連（DC Interconnect）的核心技術。其系統在硬體實體層面上，主要劃分為負責電訊號處理的電子積體電路（EIC）與負責光學處理的光子積體電路（PIC）。

source: Dr. Jahnavi Sharma, IEEE-IISc VLSI Chapter

發射端：強度調變 (Intensity Modulation, IM)

發射端的任務是將數位電訊號轉換為光學強度的變化

• 電子驅動 (EIC)： 輸入的資料訊號（Data in）首先進入高速驅動器（High-speed driver）進行電壓放大與訊號調理。

• 連續光源 (CW)： 系統端的雷射光源提供穩定、特定波長的連續波光學輸入。

• 光學調變 (PIC)： 高速驅動器輸出的電訊號會驅動光調變器（Optical modulator）。調變器會依據電訊號的變化，動態控制通過雷射光的振幅（強度），進而產生調變後的光訊號並送入光纖（Fiber）傳輸。

接收端：直接偵測 (Direct Detection, DD)

接收端的任務是直接測量光功率的強弱，並將其還原為電訊號，不涉及光學相位的解析。

• 光電轉換 (PIC)： 經由光纖傳輸後的光訊號到達光偵測器（Photodetector）。光偵測器會依據輸入光功率的強弱，將其轉換為成正比的光電流（i_PH）。

• 訊號放大 (EIC)： 由於光偵測器產生的光電流十分微弱，必須傳遞至高速接收器（High-speed RX，通常為轉阻放大器 TIA）進行電流至電壓的轉換與訊號放大，最終輸出還原的數位資料。

系統發展關鍵

要進一步提升 IMDD 鏈路的傳輸速率，必須同時仰賴矽光子光學元件（SiPh optical devices）與 CMOS 電子元件（CMOS electronics）在實體層面的技術演進與高度整合。

3.1. NRZ vs. PAM4

NRZ (Non-Return to Zero) 調變

• NRZ 屬於雙階強度調變的光訊號格式。

• 此架構採用兩個光功率階層（P₁ 與 P₀）來進行訊號傳輸，其眼圖結構會呈現出單一個眼圖張開區間。

• 光調變振幅（Optical Modulation Amplitude, P_OMA）的定義為高低功率之差，計算公式為 P_OMA = P₁ - P₀。

• 訊號的平均光功率（P_AVG）公式為 (P₁ + P₀) / 2。

• 消光比（Extinction Ratio, r）為 P₁ 除以 P₀ 的比值（r = P₁ / P₀），實務上通常以分貝（dB）作為表示單位，計算方式為 ER[dB] = 10 * log₁₀₍P₁ / P₀)。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

PAM4 (4-Level Pulse Amplitude Modulation) 調變

• PAM4 是一種四階振幅調變的光訊號格式。

• 系統利用四個光功率階層（P₃, P₂, P₁, P₀）來代表資料，因此在其眼圖結構中，會同時產生三個眼圖張開區間。

• 平均光功率（P_AVG）的計算方式基於最高與最低功率階層，公式為 (P₃ + P₀) / 2。

• 針對 PAM4 的訊號評估，IEEE 802.3 Clause 94 定義了位準分離不匹配比（Level separation mismatch ratio, RLM）這項關鍵指標。

• RLM 的計算公式為：RLM = 3 * min(P₃-P₂, P₂-P₁, P₁-P₀) / (P₃ - P₀)。

• RLM 的理想數值為 1，當訊號出現眼圖壓縮（eye compression）現象時，RLM 數值會小於 1。

• 典型的通訊規格標準通常要求 RLM 數值必須大於 0.95

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

3.2. Direct Modulation

直接調變 (Direct Modulation) 是一種架構精簡且具備成本效益的光發射技術。其核心原理是直接控制發光元件的驅動電流，藉此改變輸出光訊號的強度。

系統架構與訊號流程

• Switch ASIC (特殊應用積體電路): 位於系統前端，負責輸出低功率的初始數位電訊號。

• 雷射驅動器 (Laser driver 或 VCSEL driver): 接收來自 ASIC 的微弱訊號，將其放大並轉換為具備高低準位的動態驅動電流 (I₁ 與 I₀)。

• 雷射二極體 (Laser diode 或 VCSEL diode): 接收驅動器輸出的電流，並直接將其轉換為對應的高低光功率輸出 (P₁ 與 P₀)，完成電轉光的調變過程。

source: Prof. P. Ossieur, ISSCC 26, SC1

核心發光元件分類

在直接調變架構中，所使用的雷射二極體主要可分為垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL) 以及直接調變雷射 (DML) 兩大技術分支：

• VCSEL (Vertical Cavity, Surface Emitting Laser): VCSEL 具備製程成本低、功耗小以及易於封裝的優勢，是資料中心內部短距離傳輸中最廣泛使用的光源。

• DML (Directly Modulated Laser): 通常指邊射型的雷射二極體，依據內部共振腔結構的不同，主要包含以下兩種：

  • FP (Fabry-Perot) 雷射: 屬於多模雷射，具備較寬的光譜，主要應用於對成本敏感且距離較短的通訊環境。

  • DFB (Distributed Feedback) 雷射: 內部整合了光柵結構以篩選特定波長，屬於單模雷射。DFB 雷射能提供較窄的光譜線寬與較高的傳輸品質，適用於中長距離或較高速率的直接調變應用。

直接調變技術在應用於強度調變與直接偵測 (IMDD) 系統時，會面臨一些固有的物理特性限制:

頻寬 (BW) 與導通延遲 (Turn-on Delay) 的系統取捨

在直接調變架構中，調變效能受到驅動電流設定的直接影響，這在消光比、頻寬與延遲之間形成了一種取捨關係 (Trade-off)。

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• 小訊號頻寬 (BW)： VCSEL 的頻寬與數位「1」的電流 (I₁) 減去臨界電流 (I_TH) 差值的平方根成正比，即 BW ~ sqrt(I₁ - I_TH)。

• 導通延遲 (Turn-on delay)： 此延遲僅會影響訊號的上升緣 (rising edge)。其延遲時間 (t_turn-on) 與載子生命週期 (τ_c) 相關，並取決於自然對數函數 ln((I₁ - I₀) / (I₁ - I_TH))，其中 I₀ 為數位「0」的偏壓電流。

• 取捨關係 (Trade-off)： 若要縮短導通延遲並改善頻寬，必須提高數位「0」的偏壓電流 I₀ (如圖中紅線對應的 I_0,2)。然而，提高 I₀ 會導致訊號的消光比 (Extinction Ratio) 變差。

• 弛豫振盪 (Relaxation oscillation)： 當訊號從低準位切換至高準位時，輸出功率在穩定前會出現震盪現象，圖表中將其標示為弛豫振盪。

頻率啁啾 (Chirp) 效應

直接調變的核心動作是「快速改變注入電流」。這個動作會直接擾動雷射主動層內的載子密度（Carrier density）。載子密度的劇烈變化會連帶改變半導體介質的折射率，進而引發非預期的光波相位與頻率偏移，這就是 Chirp 產生的根本原因。

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• Chirp 的組成： 頻率的總偏移量 delta f(t) 由兩個主要部分構成。第一部分是與功率隨時間變化率相關的暫態啁啾 (Transient chirp)；第二部分是與絕對功率大小相關的絕熱啁啾 (Adiabatic chirp)。

• 波形特徵： 根據圖表中的功率 (紅線) 與 Chirp (藍線) 對應關係，當脈衝處於上升緣 (leading edge) 時，頻率會瞬間往高頻偏移，產生藍移 (Blue shift)。相反地，當脈衝處於下降緣 (lagging edge) 時，頻率會瞬間往低頻偏移，產生紅移 (Red shift)。

• Chirp 限制系統效能的過程: Laser on/off ➔ Carrier line width widen ➔ Fiber CD ➔ ISI

頻寬與延遲的取捨以及頻率啁啾（Chirp），是源自於「直接改變驅動電流」這個調變機制本身，而非單一雷射種類（如 VCSEL）的專有。這也是為何在追求極高速與極長距離傳輸時，系統必須捨棄直接調變，轉而採用連續波光源搭配外部調變器（Indirect Modulation）的主因。

3.3. Indirect Modulation

針對強度調變與直接偵測 (IMDD) 系統中的間接調變 (Indirect modulation，或稱外部調變 External modulation) 架構，說明如下：

架構 (Architecture)

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• 外部調變架構將光源產生與訊號調變分開處理。

• 系統前端的 Switch ASIC 會輸出電訊號至調變器驅動器 (Modulator driver)。

• 調變器驅動器將訊號轉換為電壓 (V₁, V₀) 並輸入至外部調變器 (External modulator)。

• 發光元件 (如 Laser diode 或 VCSEL diode(少用)) 由恆定電流 (I_LASER) 驅動，負責提供連續光波進入外部調變器。

• 外部調變器根據輸入的電壓變化，輸出對應的高低光功率 (P₁, P₀) 脈衝訊號。

特性 (Characteristics)

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• 當外部調變架構採用分散式回饋雷射 (Distributed FeedBack laser, DFB) 作為光源時，典型線寬介於 10MHz 至 100MHz 之間 (小於 0.001nm)。

• 該雷射波長的溫度漂移約為 0.4nm / °C，此參數對於波長多工 (wavelength multiplexing) 應用極為關鍵。

• 硬體設計上支援無冷卻 (Uncooled) 或冷卻 (cooled) 的運作模式。

• 在 NRZ 調變的應用場景下，其光譜分佈會包含光載波 (Optical carrier)、由 NRZ 調變產生的 Sinc(x) 波形，以及殘留載波 (Residual tones)。

核心參數：OMA vs. ER

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• 雷射端輸出的連續波功率定義為 P_cw。

• 連續波進入外部調變器後，受插入損耗 (IL[dB]) 影響，最高輸出光功率降為 P₁。

• 光調變振幅 (OMA[dBm]) 定義為高低光功率之差，計算方式為 P₁ - P₀。

• 評估訊號劣化的調變器 OMA 代價 (Modulator OMA penalty) 公式為 TP_OMA = 10 log₁₀ (P_cw / (P₁ - P₀))。

• 部分文獻對於 TP_OMA 採用另一種定義，公式為 TP_OMA = 10 log₁₀ (2P_cw / (P₁ - P₀))。

• 當插入損耗 (IL) 為 0dB 且消光比 (ER) 達到無限大 (+∞) 時，TP_OMA 才會等於 0dB。

3.3. Modulators

光調變器（Modulator）是光電技術的核心，而不同架構的實體尺寸差異，直接決定了它們在光通訊硬體中的應用定位。

MZM (Mach-Zehnder Modulator / 馬赫-曾德爾調變器)

• 物理尺寸： 最大，長度約為 5000 µm。

• 主要應用： 廣泛應用於傳統的「可插拔光模組（Pluggable modules）」。

• 架構特性： 雖然佔用的晶片面積非常大，但 MZM 具備優異的訊號品質、高消光比以及對 Chirp 的良好控制能力，因此在空間允許的光模組中，是追求高效能傳輸的首選。也是同調通訊（Coherent）的唯一選擇。

EAM (Electro-Absorption Modulator / 電吸收調變器)

• 物理尺寸： 中等，長度大幅縮減至約 50 µm。

• 主要應用： 同樣是可插拔光模組中的熱門選擇。

• 架構特性： 體積遠小於 MZM，且製程上與 DFB 雷射整合在單一晶片上（即 EML 架構）。它在模組設計的體積限制、成本與傳輸效能之間取得了極佳的平衡。

source: Lightmatter

MRM (Micro-Ring Modulator / 微環調變器)

• 物理尺寸： 極小，長度僅約 10 µm。

• 主要應用： 針對空間受到極度限制的「共封裝光學（Co-Packaged Optics, CPO）」架構，MRM 是極具戰略重要性的元件。

• 架構特性：其極致微縮的尺寸使其能夠在交換器 ASIC 周邊進行極高密度的排列。在 CPO 架構中，面積是最大的限制，MRM 的微小體積完美契合了 CPO 對於多通道、高密度光電整合的嚴苛需求。

3.3.1. MZM

以下為馬赫-曾德調變器 (Mach-Zehnder Modulator, MZM) 的介紹：

原理

馬赫-曾德調變器 (MZM) 是一種應用於強度調變與直接偵測 (IMDD) 系統的外部調變器。

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• 基本架構：輸入的連續光波 (E_CW,in) 會先被分流至兩條光波導分支中。

• 相位移控制：透過在分支上施加電壓 (如 +V_dr/2 與 -V_dr/2) 來改變光波在波導中的相位，其中 V_π 參數定義為產生 π 相位移所需的電壓值。

• 功率轉換：兩道光波重新結合後，其輸出功率 (P_OUT) 與輸入功率 (P_CW,IN) 的轉換關係遵循公式：P_OUT / P_CW,IN = 1/2 * [1 + cos(π * V_dr / V_π)]。

• 偏壓設定：為了達到良好的強度調變，通常會將偏壓設定在功率轉換曲線的正交點 (quadrature bias)。

特性

電極等效電路設計：電極的設計取決於最高訊號頻率 (f_sig) 與 c / (L * n_RF) 的相對關係，其中 c 為真空中光速，L 為調變器長度，n_RF 為微波折射率。

• 當 f_sig 遠小於 c / (L * n_RF) 時，系統可視為集總電容 (Lumped capacitance)。

• 當 f_sig 遠大於 c / (L * n_RF) 時，則必須採用行波電極 (Traveling wave electrodes) 設計。

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雙驅動與啁啾 (Chirp) 控制：在施加電壓 V₁ 與 V₂ 的雙驅動 (Dual drive) 操作下，啁啾因子 (Chirp factor, α) 定義為 (V₁ + V₂) / (V₁ - V₂)。

• 若採用差分驅動 (Differential drive)，其啁啾因子 α = 0。

• 系統可刻意引入負啁啾 (Negative chirp)，此特性可與色散 (chromatic dispersion) 效應結合，用於實現脈衝壓縮 (pulse compression)。

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Material 比較

針對馬赫-曾德調變器 (MZM) 的三種主要材料，其工作原理與各項特性簡述如下：

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矽光子 (Silicon Photonic)

其運作原理基於電漿色散效應 (空乏區，Plasma dispersion - depletion)。在硬體規格上，其半波電壓長度積 (V_π * L) 為 1.7 V•cm；光損耗 (α) 為三者中最高的數值，達 20.0 dB/cm；光電 (EOE) 頻寬則大約落在 40 GHz。

磷化銦 (InP)

該材料利用量子局限史塔克效應 (Quantum-confined stark effect) 達成光調變。其主要特點為擁有極低的 V_π * L 數值，僅需 0.72 V•cm；光損耗為 11.1 dB/cm；而在高頻表現上，可提供超過 100 GHz 的 EOE 頻寬。

混合矽-鈮酸鋰 (Hybrid Silicon - LiNbO3)

其調變機制為普克爾斯效應 (Pockels effect)。雖然此方案的 V_π * L 數值在三者中最高，達到 3.1 V•cm，但其具備最低的光損耗特性，僅 3.6 dB/cm，同時能支援三者中最寬的 EOE 頻寬，超過 110 GHz(請參考: EP44. 解析 TFLN 在次世代 AI 網路的關鍵地位)。

3.3.2. EAM

電吸收調變器 (Electro-absorption modulator, EAM) 是一種應用於強度調變與直接偵測 (IMDD) 系統的外部調變器(請參考: EP27. Marvell + Celestial AI = ?)。

物理原理與運作機制

• EAM 的運作主要基於 pin 接面 (pin-junction) 中的法蘭茲-凱爾迪什效應 (Franz-Keldysh effect)。

• 另一種常見的物理機制為量子局限史塔克效應 (Quantum confined stark effect, QCSE)。

• 其核心原理是透過施加電壓來移動材料的能隙 (Bandgap moves with applied voltage)，藉此改變材料對光波的吸收能力。

• EAM 的功率轉換函數 (transfer function) 具有非線性的特性，這在歸一化功率對應驅動電壓的關係圖中可以觀察到。

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等效電路模型

• 在電氣特性上，EAM 的等效電路可視為一個逆向偏壓的 pin 接面 (Reverse biased pin-junction)。

• 該模型可等效為一個集總電容並聯一個電流源，此電流源代表調變器處於吸收狀態時所產生的光電流 (Photocurrent when in absorptive state)。

吸收特性與關鍵效能指標

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• EAM 的光吸收係數 (Absorption alpha) 會隨著光波長與施加電壓的不同而產生變化，例如未施加電壓時的吸收係數為 α(0)，施加電壓 V 時為 α(V)。

• 對比度 (Contrast ratio) 被定義為堆疊結構本身的特性，其公式為 ( α(V) - α(0)) / α(0)。

• 消光比 (Extinction Ratio, ER) 與吸收係數的變化量成正比，可表示為 ER[dB] = 10 log₁₀(e^-α(0)L / e^-α(V)L)，簡化後為 4.3 * (α(V) - α(0))。

• 插入損耗 (Insertion Loss, IL) 則取決於元件未施加電壓時的基礎光吸收情況。

實際波導元件範例

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• 基於法蘭茲-凱爾迪什效應所開發的波導型鍺矽 (GeSi) 電吸收調變器。

• 該元件結構包含 P+ (Si-P)、本質層 GeSi 以及 N+ (Si-N)，並建構於 SiO₂ 矽光子平台上。

• 在高頻響應表現上，於 -2V 的偏壓條件下，該元件的 S₂₁ 頻率響應圖顯示其頻寬可延伸至 100 GHz。

3.3.3. MRM

微環形調變器 (Ring Modulator, MRM) 是一種應用於強度調變與直接偵測 (IMDD) 系統的外部調變器。以下為其詳細介紹(請參考: EP39. 突破 200Gbps 傳輸極限：NVIDIA 微環調變器技術探討)：

物理原理與運作機制

• 微環形調變器的物理原理基於微環 (microring) 與匯流排波導 (bus waveguide) 之間的漸逝波耦合 (Evanescent coupling)。

• 當微環的圓周長等於光波長的整數倍時，光波會在環內產生共振 (Ring resonance)。

• 透過改變施加電壓 (例如從 V_MR = 0V 切換至 2V)，可以改變材料折射率，使共振光譜發生平移，進而改變特定波長下的光穿透損耗，達成光強度的調變。

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• 為了獲得最佳的靜態調變效能 (best static modulator performance) 與最大的光調變幅度 (OMA)，操作波長通常會設定在共振吸收谷的陡峭邊緣處。

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光譜與共振特性

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• 共振波長：共振波長 (λ_res) 的位置取決於微環半徑 (r)、有效折射率 (n_eff) 以及共振階數 (m)。

• 自由光譜區 (FSR)：相鄰兩個共振波長之間的距離稱為自由光譜區 (Free spectral range)，FSR 的大小與微環半徑成反比 (約略正比於 1/r)。

• Q 因子 (Q-factor)：Q 因子定義為共振波長除以吸收谷的半高寬 (FWHM)。Q 因子的數值與共振腔內的光子壽命 (cavity photon lifetime, tau) 呈正相關。

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頻寬限制因素

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• 微環調變器的 3dB 頻寬 (Ring bandwidth, f_3dB) 主要受到兩種物理時間常數的限制。

• 第一項限制為光子在微環內的壽命 (τ)，第二項限制則是由微環接面電阻 (R) 與接面電容 (C) 所構成的 RC 延遲時間。

實際元件設計範例與優化

• 若要使調變器能支援大量的波長通道，必須具備極大的 FSR(Free spectral range)，這意味著必須將微環的尺寸縮小至極限，其最終微縮型態即為圓盤型調變器 (disk modulator)。

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• 在波導結構設計上，將傳統的橫向 PN 接面 (Lateral PN junction) 改良為垂直 PN 接面 (Vertical PN junction)，可獲得較高的調變效率 (pm/V)，從而降低元件所需的驅動電壓。

• 以一個半徑為 2.1 微米的微盤調變器為例，其結構可達成大於 6.4 THz 的超大 FSR，並提供超過 25 GHz 的光電頻寬。

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3.4. Tx Driver

基本特性與電流導向驅動器 (Current-steering Driver)

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• 雷射具備明確的功率與電流 (P,I) 特性，通常透過電流導向架構來進行直接調變。

• 其偏壓電流 (I_BIAS) 與調變電流 (I_MOD) 的操作範圍約落在 1mA 至 100mA 之間。

• 採用直流耦合 (DC-coupled) 的共陽極 (common anode) 驅動器時，若透過傳輸線進行長距離連接並做終端匹配，會有二分之一的調變電流被浪費掉。

• 電流導向驅動器的主要缺點在於調變電流必須維持常開狀態，但實際的利用率僅約 50%。

VCSEL 陣列驅動架構 (Driving VCSEL arrays)

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• VCSEL 陣列通常會被製造成共陰極 (common-cathode) 陣列的形式，主因是 n 型摻雜基板 (n-doped substrates) 能提供較佳的品質。

• 針對此類陣列，系統會採用直流耦合的共陰極驅動器設計。

• 在電路配置上，必須為電流源 (current source) 以及切換式差分對 (switched differential pair) 保留足夠的電壓餘裕 (headroom)，以確保元件正常運作。

電壓模式驅動器 (Voltage-mode Driver)

傳統的「電流導向驅動器」雖然反應直接，但有大約一半的電流是處於浪費狀態；電壓模式驅動器則是為了解決這個效率問題而提出的替代方案。

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• 作為電流導向架構的替代方案，電壓模式驅動器提供不同的電流控制機制。

• 系統可透過切片模組 (slices 1...6) 進行 VCSEL 調變電流的粗調 (Coarse control)。

• 藉由調整 V_CP 與 V_CN 的電壓值，可對 VCSEL 進行微調 (Fine adjustment)。

• 由於上述微調過程會改變 VCSEL 驅動器的輸出阻抗，進而影響系統可達成的頻寬，因此需要加入分流阻抗 (shunt impedance, Z_SH) 來限制有效阻抗的變異範圍。

• 該分流阻抗 (Z_SH) 同時也能作為主動電感 (active inductor)，達到提升頻寬的效果。

3.5. Rx Detection

直接偵測 (Direct Detection) 基本原理

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• 在直接偵測系統中，接收端透過光偵測器 (Photodetector) 來偵測光訊號的功率。

• 光偵測器通常採用逆向偏壓的 PIN 接面，包含 p 型、本質 (intrinsic) 與 n 型區域。

• 光偵測器的關鍵特性參數包含：響應度 (Responsivity, R [A/W])、暗電流 (Dark current, I_D) 以及電容值 (Capacitance, C_PD)。

• 在偵測頻寬 B 內的散粒雜訊 (Shot noise) 是一種與訊號強度相關的雜訊電流 (Signal dependent noise current)。

接收端雜訊與轉阻放大器 (TIA)

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• 光接收器的簡化等效模型包含了光二極體產生的光電流、散粒雜訊源、轉阻放大器 (TIA) 產生的雜訊源，以及提供阻抗轉換的轉阻放大器 Z_T(f)。

• 通常會將系統中的雜訊電流回推至光接收器的輸入端，此稱為輸入參考雜訊電流 (Input-referred noise current)。

• 在處理與頻率相關的雜訊密度時，輸入參考雜訊電流的計算會使用到二階與三階的 Personick 積分。

• 接收端的電壓訊號若受到雜訊干擾，導致訊號位準錯誤跨越了決策閾值 (Decision threshold, v_TH)，就會產生位元錯誤 (Bit errors)。

Q 因子與位元錯誤率 (BER) 關係

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• 接收品質可透過 Q 因子 (Q-factor) 來量化，其計算公式為：Q = (I₁ - I₀) / (σ₁ + σ₀)。

  • 該公式中的 I₁ 與 I₀ 分別代表接收到數位 1 與數位 0 時的平均電流，而 σ₁ 與 σ₀ 則是對應的雜訊電流變異數。

• 對於 NRZ 訊號，在假設決策閾值設定於最佳位置的前提下，位元錯誤率的計算公式為：BER = 1/2 * erfc(Q / √2)。

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根據理論圖表，當系統要求 BER 為 10^-3 時，所需的 Q 因子為 3.09；若要求更嚴格的 BER 達 10^-12 時，Q 因子則需提升至 7.03。

雷射相對強度雜訊 (RIN) 的影響

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• 雷射的輸出光功率包含平均功率與隨機波動的雜訊，此波動通常以相對強度雜訊 (Relative intensity noise, RIN) 表示，單位為 dBc/Hz。

• 雷射的 RIN 值會直接影響接收端的靈敏度 (Sensitivity)。

• 從 53GBd PAM-4 的接收器靈敏度曲線可知，當雷射 RIN 增加 (惡化) 時，維持相同 BER (如 2x10^-4) 所需的光功率也會隨之增加(靈敏度 (Sensitivity) 變差)。

光鏈路預算 (Optical Link Budget) 比較

• 53Gb/s NRZ 鏈路：

  • 在考量調變器 5dB 的 OMA 損耗後，光纖輸入端功率為 -5dBm。搭配響應度 0.8A/W 且輸入參考雜訊為 4.8 uA_rms 的接收器，為了達到 BER = 2x10^-4，最低接收光功率需為 -14.4 dBm，因此系統可支援最高 9.4dB 的傳輸損耗。

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• 53GBd PAM-4 鏈路：

  • 在與上述相同的發射功率與接收器規格下，由於 PAM-4 訊號的眼高 (eye height) 僅為 NRZ 的三分之一，這造成了約 5dB 的額外損耗 (Penalty)。

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• 受到這 5dB 損耗的影響，PAM-4 鏈路為了維持相同的 BER (2x10^-4)，其最低接收光功率需提高至 -9.4dBm，使系統可支援的傳輸損耗降至 4.4dB

4. 相干光通訊 (Coherent) 簡介

相干光通訊是一種透過與本地振盪雷射混合進行偵測，並結合相位、極化等多維度調變與數位訊號處理（DSP）技術，以大幅提升光鏈路傳輸頻譜效率與接收靈敏度的先進通訊架構(請參考: EP49. 從Shannon定理探討 Ciena的Scale-Across佈局)。

提升頻譜效率與調變技術

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• 傳統的強度調變(IMDD)僅改變光載波的振幅。

• 相干通訊(Coherent)則透過對光載波進行 IQ 相位調變來大幅提升傳輸容量。

• 常見的進階調變格式包含 QPSK (正交相位偏移鍵控) 與 16-QAM (16 階正交振幅調變)。

  • 以 1310nm (O-band) 波段為例，其光載波頻率為 228.8THz。

• 為了進一步最大化傳輸量，系統會針對橫向電場極化 (TE) 與橫向磁場極化 (TM) 兩個正交極化模式進行 IQ 調變，此技術可使整體的頻譜效率倍增。

相干偵測原理與靈敏度

• 針對複雜的相位與極化訊號，接收端必須使用相干光接收器來進行偵測。

• 相干光接收器的核心原理是透過 3dB 耦合器，將輸入的光訊號與接收端內部的本地振盪雷射 (Local oscillator, LO) 進行混合。

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• 由於訊號與本地振盪雷射混合產生了明顯的放大效應，這種設計能夠大幅改善接收器的靈敏度。

相干接收器架構與數位訊號處理 (DSP)

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• 為了處理極化與相位多樣性的訊號，接收端會利用 90 度混頻器 (90 degree hybrid) 將光訊號分離出 I 與 Q 兩個正交分量。

• 分離後的訊號經過放大器與類比數位轉換器 (ADC) 取樣，會傳送至數位訊號處理 (DSP) 模組進行各項運算與補償。

• DSP 模組的處理流程依序包含：

  • 去歪斜與 IQ 不平衡補償 (Deskew and IQ imbalance compensation)

  • 色散補償 (Chromatic Dispersion compensation)

  • 時脈回復 (Timing recovery)

  • 極化解多工 (Polarization demultiplexing)

  • 頻率與相位回復 (Frequency and phase recovery)。

收發機 (Transceiver) 系統整合架構

• 一個完整的相干光鏈路收發機同時整合了發射端 (Transmitter) 與接收端 (Receiver)。

• 系統在輸入與輸出端採用極化分光旋轉器 (Polarization splitter-rotator, PSR) 來分離或整合 x-pol 與 y-pol 兩個極化方向的訊號。

• 發射端內部配置了數位訊號處理器 (TX DSP)、驅動器 (Drivers)、相位移相器 (PS) 以及分別處理 I/Q 分量的調變器 (MOD)。

• 接收端則整合了本地振盪器 (LO)、90 度混頻器、光偵測器陣列、轉阻放大器 (TIAs) 與接收端數位訊號處理器 (RX DSP)，以完成訊號的完整解調。

5. 結論

光纖作為實體傳輸媒介,具備極低的訊號衰減率,但在高速與長距離傳輸下會面臨色度色散、偏振模色散與頻率啁啾(Chirp)等物理限制,這些因素會導致脈衝展寬並引發碼間干擾,進而成為限制傳輸距離與速率的關鍵瓶頸。

為克服這些物理限制,光通訊調變與偵測技術出現了顯著的板塊移動。在中短距離與中低速率的應用場景中,強度調變與直接偵測(IMDD)架構結合PAM4調變格式,以及電吸收調變器(EAM)或微環形調變器(MRM)等間接調變技術,能取得傳輸效能與模組體積的最佳平衡。

相對地,針對超高速率與長途傳輸的極端需求,系統已全面轉向同調通訊技術。同調技術藉由馬赫-曾德調變器(MZM)進行相位與極化的多維度調變,並在接收端透過本地振盪雷射混合與數位訊號處理(DSP)演算法,大幅提升頻譜效率與接收靈敏度。

整體而言,矽光子光學元件與CMOS電子元件的持續演進與高度整合,將是推動下一代光通訊系統突破物理限制並提升效能之關鍵。

[Reference]

1. Prof. P. Ossieur, ISSCC26 SC1_Introduction to Optical Communication Systems from VCSELs, integrated Photonics to Coherent Solutions

2. Yole, yintr24404-optical_transceivers_for_datacom_and_telecom_2024

3. Modulation Basics, Wavelength Electronics

4. Co-packaged Silicon-Photonics Based Optical TRx for High-Speed Interconnects by Dr. Jahnavi Sharma

5. EP9: Light sources related to Laser

6. EP27. Marvell + Celestial AI = ? related to EAM

7. EP38. 解析 3.2T 光通訊實體層技術 related to Optical Modules

8. EP39. 突破 200Gbps 傳輸極限：NVIDIA 微環調變器技術探討 related to MRM

9. EP41. 1060nm VCSEL 技術突破: CPO的明日之星 related to VCSEL

10. EP44. 解析 TFLN 在次世代 AI 網路的關鍵地位 related to TFLN material

11. EP46. 空芯光纖 (HCF) 突破: AI 互連實體層極限與商業化展望 related to Fiber

12. EP49. 從Shannon定理探討 Ciena的Scale-Across佈局 related to Coherent

13. EP55. 微型光頻梳(micro OFC)在AI矽光子互連應用之技術解析與發展趨勢 related to BiDi

14. EP0. 我的 AI 硬體探索地圖