陈昇祐，Whoscored中文官网
摘要
相干光传输已成为长途高容量光纤网络的基础。本文总结了设计先进相干光收发器的关键部件和流程。收发器通过调制和信号处理等技术，在电信号和光信号之间相互转换，实现可靠的高速数据传输。收发器包含带激光器、调制器、探测器、数字信号处理器和模拟/数字转换器等部件的光电子子系统。设计需要平衡行业标准和定制的专有解决方案，同时考虑规格、仿真、制造和热管理等因素。精心的光电子子系统协同设计可以优化整体性能。
简介
当代全球通信网络广泛依赖光纤基础设施进行高速长途的数据传输。为满足持续增长的容量需求，光网络采用称为相干传输的先进调制和检测技术。这些网络的核心是复杂的高度工程化的收发器，可以在光信号和电信号之间相互转换。本文将概述设计高性能相干光收发器的关键部件和流程。
相干光收发器的部件
相干光收发器同时包含电子和光学子系统，具有生成、调制、传输、接收和检测调制光信号的专用部件（图1）。
光学部件包括：
- 激光源：产生用于传输的相干光。相干传输的激光器可调谐并针对波长、功率、噪声容限和成本等因素进行优化。
- 光引擎：包含光调制器、接收器和引导及操作光信号的无源部件。光引擎可以基于磷化铟或硅光子技术制作。
- 调制器：通过控制相位和极化等属性对光载波进行编码。
- 接收器：将传输的光信号转换回电信号。
- 电子部件包括：
- 数字模拟转换器（DAC）和模拟数字转换器（ADC）：在调制/解调过程中在数字和模拟信号域之间转换。
- 数字信号处理器（DSP）：执行色散补偿、极化解复用、载波恢复和前向错误纠正等功能。
- 前向错误纠正（FEC）：通过引入冗余实现错误检查和纠正，提高可靠性。
- 控制和监测接口：用于管理和优化收发器操作。
- 功率管理：维持适当的热条件以确保可靠性能。
关键的收发器设计流程
开发高性能相干光收发器需要广泛的设计工作，包括概念定义、规格、仿真、布局和表征。
- 概念和规格：根据客户需求、行业标准和专有技术定义收发器的功能和接口。
- 光子系统设计：图形设计、仿真和布局产生用于制造的光学部件布局。
- 电子系统设计：针对电子部件进行类似流程，特别关注数字信号处理器（DSP）。
- 机械和热设计：确保标准兼容性和可接受的工作温度。
- 协同设计理念：同步设计光/电子子系统以优化整体性能和效率。
- 测试和表征：确保收发器满足所有定义的规格和要求。
协同设计的重要性
传统上，收发器的设计采用模块化方法，组合不同供应商的DSP、激光器和光引擎等部件。但是，通过子系统之间的紧密集成实现协同设计理念可以获得显着的性能和效率改进。优化光学和电子系统可以实现整体收发器性能的参数（如功耗、成本和可靠性）之间的权衡最大化。
Whoscored中文官网PIC Studio的光电融合协同设计
PIC Studio可同时设计和模拟电子和光子部件及子系统。这种电子光子协同设计方法可实现两者之间的优化，克服模块化设计的局限性。
PIC Studio的pSim光子电路模拟器可通过开放接口与行业标准的电子电路模拟器（如Spectre、SpectreRF和ADS）集成。这实现了晶体管级电子器件与光子器件紧密模型的协同仿真。参数可以双向传递在电子和光子模拟器之间。例如，放大器电路的AC响应和相位裕度可以在Spectre中模拟，同时通过pSim模型连接到具有激光器、调制器和光探测器的光链路，也能进行噪声分析，可以洞察放大器和光子器件的耦合行为。
协同仿真可实现电子和光学子系统的同步优化。可以探索权衡，并识别电光界面上的性能瓶颈。像相干光收发器这样电子与光子高度集成的系统可以从这种协同设计方法中获得很大收益。
PIC Studio的协同仿真功能弥合了电子和光子设计流程之间的差距，为集成的电光系统带来新的端到端仿真与优化水平。其开放接口提供灵活性，允许设计人员利用首选的电子仿真平台。
总结
相干光收发器在现代光纤网络中起关键作用。其设计需要横跨光学、电子、机械和软件工程的专业知识。部件选择、大量仿真、标准合规以及热管理对实现高速率、长距离和可靠性都非常重要。采用协同设计方法可以充分发挥相干技术的性能优势。随着容量需求的增长，相干光收发器设计的持续创新将非常重要。
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