Corning & Hicense：O波段1.6 Tbit/s DCI传输仿真（IM/DD vs 相干传输）

新年第一更，接着来看看DCI 下一代1.6T传输的简化相干和直调直检之争。https://doi.org/10.3390/photonics11121179

一、IM/DD 技术在 O 波段传输的研究

（一）仿真环境搭建

◆ 链路仿真条件

采用 LWDM - 8 波长配置，波长范围从 1291.1 nm 至 1323 nm，频率间隔 800 GHz。信号经无损MUX/DEMUX（二阶高斯频率响应，400 GHz 带宽）处理后，在标准单模光纤中传输。该光纤具有 0.092 ps/(nm²·km)的色散斜率、62 μm²的有效模场面积、0.3 dB/km 的衰减系数，同时考虑了 0.1 ps/km¹/²的偏振模色散（PMD）及 50 m 的相关长度，并设定非线性系数为 2.6 E - 20 m²/W。

◆ 收发器设置

在发射端，伪随机二进制序列（PRBS）经格雷编码映射为 PAM4 序列，通过平方根升余弦滤波器（滚降系数 0.1）脉冲成形后，由 6 位、56 GHz 带宽的DAC转换为模拟信号。电吸收调制器（EAM）由 10 MHz 线宽、-145 dB/Hz 相对强度噪声（RIN）的单模激光驱动，在 -1.45 V 偏压下工作于线性区，其带宽限制由 56 GHz 的四阶贝塞尔滤波器模拟。在接收端，56 GHz 带宽的PD将光信号转换为电信号，再由 15 抽头的FFE进行均衡处理，最终采用直方图方法估计符号误码率（SER）。

（二）关键因素分析

1. 色散影响分析

为探究色散对传输距离的限制，先不考虑光纤非线性效应，设置每个发射机输出功率为 0 dBm。由于不同波长与 零色散波长ZDW 的差异，色散值不同，导致传输性能各异。在 10 km 传输距离下，距 ZDW 越远的波长，误码率越高。以 FEC BER 阈值 log₁₀(BER = 2.2×10⁻⁴) = -3.6 为标准，在特定 ZDW 范围（约 5 nm）内所有通道可实现良好性能。考虑光纤 ZDW 呈高斯分布（中心波长1312 nm，σ = 2 nm），计算不同传输距离下满足性能要求的概率，结果表明 5 km 距离内多数光纤可胜任，而 10 km 时仅 10%的光纤能达标，凸显了在色散限制场景下合理选择光纤零色散波长的重要性。

2. 四波混频（FWM）影响剖析

首先在理想条件下（信号同偏振、波长稳定且等间距）分析 FWM 对 1.6 Tb/s 链路的影响，链路长度设为 2 km，ZDW 扫描范围 1290 - 1325 nm，每通道发射功率 4 dBm。结果显示在 11 个特定 ZDW 区域，FWM 导致误码率超出阈值，在这些区域外性能可满足要求。进一步研究发现 FWM 对传输波长的影响范围可达|Δλ| = 15 nm，且呈振荡特性，在 ZDW 接近 LWDM 波长时代价最大。通过高分辨率分析，确定在不同 ZDW 区间内 FWM 代价的波长交互范围，如对于 1309.14 nm 波长，在特定 FEC 阈值下交互范围约 1.4 nm，且该范围随发射功率增加而显著变宽。这表明在实际应用中，可通过合理的波长失谐设计来缓解 FWM 影响，但需考虑发射功率等因素对失谐效果的制约。

3. 蒙特卡洛模拟中断概率

考虑发射机波长和偏振的随机变化（波长±0.8 nm 均匀分布、偏振±90 度均匀分布）以及 ZDW 的不确定性（固定在 1309.3 nm 模拟最差情况或遵循高斯分布），进行蒙特卡洛模拟。在 2 dBm 发射功率下，结果显示多数评估值低于 FEC 阈值，但在固定 ZDW 为最差情况时，部分波长可能超出阈值引发中断。通过计算中断概率（OP）发现，随机 ZDW 条件下 FWM 引起的中断概率明显低于固定最差 ZDW 情况。降低发射功率可大幅降低中断概率，如从 6 dBm 降至 0 dBm，在保持 0.2%中断概率的同时，传输距离可从 1 km 提升至 5 km，为优化 IM/DD 传输性能提供了有效途径。

二、O 波段相干光链路分析

（一）仿真环境构建

基于 DP - 16QAM 收发器构建相干光链路仿真环境。在传输端，两个 120 GBaud 的 DP - 16QAM 发射机采用 LWDM 波长，通过一系列模拟组件（如二阶贝塞尔低通滤波器模拟 DAC、0.5 阶高斯滤波器模拟马赫 - 曾德尔调制器（MZM）等）生成电信号，并经平方根升余弦脉冲成形（滚降因子 0.1）、6 位分辨率 DAC 转换后，以固定光功率和光信噪比（OSNR）符合 G652.D 标准的单模光纤（ZDW 约 1312 nm）。在接收端，采用平衡相干光接收机将光信号转换为电信号，经 2×2 MIMO 均衡器（采用数据辅助 MMA 算法）和改进的维特比算法进行信号恢复与相位估计，其中本征振荡器（LO）激光无波长偏移，采样率为每符号 2 个样本。

（二）简化方案性能评估

1. 去除专用色散补偿模块的影响

移除接收端专用色散补偿模块，仅依靠 MIMO DSP 补偿 CD 效应，并针对接收灵敏度优化 MIMO 滤波器抽头数（11 - 13 个，依传输长度而定）。以 1291.14 nm 波长为例，在 10 km 传输距离下，去除专用 CD DSP 导致接收灵敏度下降 0.41 dB。随着传输距离增加，性能下降呈线性趋势，在 15 km 时，1291.14 nm 和 1323 nm 波长的接收灵敏度分别降至约 -22.5 dBm 和 -23.9 dBm，表明离 ZDW 较远的波长受此影响更大。

2. 增加 LO 激光线宽影响

将 LO 激光从常规的约 100 kHz 线宽外腔激光器替换为DFB激光器以降低成本，并研究线宽增加对接收灵敏度的影响。在 10 km 链路中，当 LO 激光线宽从 0.1 MHz 增加到 4 MHz 时，1291.14 nm 波长的接收灵敏度下降 0.7 dB。进一步分析发现，对于不同传输波长，接收灵敏度代价随 LO 激光线宽增加的趋势相似，当线宽达到 6 MHz 时，接收灵敏度代价约 1 dB，而采用 2 MHz 线宽的低成本 DFB 激光可将代价控制在 0.5 dB 以内，为简化相干传输提供了潜在的成本 - 性能优化策略。

三、综合讨论与结论

1. IM/DD 技术

受色散和 FWM 限制，在 LWDM - 8 系统架构下，使用 8×200 Gbit/s PAM4 时传输距离可达 5 km。通过降低发射功率至 0 dBm 以下，可有效避免 FWM 引起的性能劣化，维持 0.2%的中断概率。同时，合理设计光纤 ZDW 可进一步优化其传输性能，减少 色散和 FWM 影响。

2. 相干传输技术

传统相干传输虽无色散限制，但成本高昂。简化后的相干传输方案（去除专用 CD 补偿块和适当增加 LO 激光线宽）在 10 km 距离内仍能保持较好性能，为长距离数据中心互连提供了可行选择，且在成本和复杂度上具有一定优势。