Whoscored中文官网 | 编译自 Effect Photonics
在过去的二十年里，可插拔模块的额定功率随着我们从直接探测到更耗电的相干传输，一直在不断的增加：从SFP模块的2W到QSFP模块的3.5W，现在QSSFP-DD的功率为14W，OSFP外形的功率为21.1W。罗克雷光电公司的研究人员估计，未来一个装满800G模块的电子开关，仅光模块就需要1千瓦左右的功率。
相干收发器约50%的功耗用于数字信号处理（DSP）芯片，该芯片还执行时钟数据恢复（CDR）、光-电转换箱和通道切换等功能。扩展到更高的带宽会导致DSP芯片及其与光引擎的射频（RF）互连产生更多的损耗和能量消耗。
图1：400ZR可插拔模块的内部标准化功率分解图。尽管这种分解在不同的供应商之间可能有些不同，但作者发现它对于各种基于DSP的模块，包括IM-DD和相干的模块，一般都是真实的。资料来源：R. Nagarajan等人，IEEE JLT (2021)
降低收发器功耗的一个方法是需要设计DSP，这将应用其光学引擎的材料平台。在本文中，我们将阐述这对磷化铟平台意味着什么。
什么都懂，但什么都不精通
收发器开发商通常从不同的供应商那里采购他们的DSP、激光器和光学引擎，因此所有这些芯片都是相互独立设计的。这种方案缩短了上市时间，并简化了研究和设计过程，但在性能和功耗方面就不得不有所取舍。
在这种情况下，DSP就像一把瑞士军刀：一个为不同种类的光学引擎设计的万能工具，但却不是一个高手。例如，目前的DSP被设计成与它们所连接的光子集成电路（PIC）的材料平台无关，后者可以是磷化铟（InP）或硅材料。因此，它们不能利用这些材料平台的内在优势。如果将DSP芯片与PIC共同设计，可以使这些组件之间的配合更加完美。
使用磷化铟PIC进行联合设计以提高功率效率
为了说明PIC和DSP协同设计的影响，让我们看一个例子。一个PIC和一个标准的平台无关的DSP通常以不同强度的信号工作，因此它们需要一些射频模拟电子元件来相互 "交谈"。这种信号功率转换开销大约构成2-3瓦，或约占收发器功耗的10-15%。
图2：相干收发器构件的简化图，其中DSP直接从其数模转换器（DAC）驱动光学引擎。这种设置可以最大限度地减少光收发器的功率转换开销。
然而，磷化铟PIC的调制器可以在比硅调制器更低的电压下运行。如果这个磷化铟PIC和DSP一起设计和优化，而不是使用一个标准的DSP，那么PIC可以被设计成在一个与DSP的信号输出兼容的电压下运行。这样，优化后的DSP可以直接驱动PIC，而不需要射频模拟驱动器，从而消除了我们之前讨论的大部分电源转换开销。
图3：三种不同的PIC+DSP配对的驱动功率和功耗的比较：带硅PIC的标准DSP，带磷化铟PIC的标准DSP，和带InP的优化DSP。
此外，优化后的DSP还可以被编程做一些额外的信号调节，使磷化铟材料的非线性光学效应最小化，这可以减少噪音并提高性能。
利用磷化铟平台的有源元件的优势
EFFECT Photonics的数字信号处理副总裁Russell Fuerst在之前的采访中给了我们一个关于磷化铟平台设计的有趣见解。
十多年前，当我们开始为光通信做相干DSP设计时，我们把射频无线和卫星通信领域的许多解决方案引入了我们的初始设计。但是，我们仍然无法将所有这些解决方案带到光市场。
然而，当你有更多的InP有源器件参与进来时，这些解决方案中的一些终于可以被带过来并加以利用。它们以前没有被用于我们的硅光子学设计中，因为硅不是一种有源介质，缺乏利用这些先进技术的性能。
例如，DSP可以控制磷化铟平台上的激光器和调制器组件，这可以导致对光信号的一些有趣操作。能够直接控制这些组件的DSP可以产生专有的波形，或者使用非标准的星座和调制方案，从而提升相干收发器的性能，增加链路的容量。
总结
对于DSP设计者来说，最大的问题仍然是在降低功耗的同时提高性能。这个问题可以通过将DSP与磷化铟平台更深入地结合起来的方法来解决，比如让DSP直接控制激光器和调制器来开发新的波形整形和调制方案。因为磷化铟平台提供有源元件，DSP设计者还可以从射频无线领域导入更多的解决方案。
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