在AI數據中心爆發式增長、向1.6T時代加速迭代的今天，ALOE Semiconductor憑借其革命性的雙偏振強度調制直接檢測（DP-IMDD）技術，成功突破短距光纖傳輸的容量瓶頸。這項技術不僅將單模光纖容量翻倍，更以低功耗、小體積、高兼容性三大優勢，重新定義數據中心互連標準！
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參數 |
傳統IMDD |
ALOE DP-IMDD |
提升幅度 |
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單纖容量 |
100G PAM4 |
400G DP-PAM4 |
4倍 |
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功耗效率 |
3.5W/100G |
<1.5W/100G |
降低57% |
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傳輸距離 |
≤2km |
支持10km以上 |
擴展5倍 |
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兼容性 |
傳統PAM4 DSP |
兼容傳統 PAM4 DSP |
零改造成本 |
一、技術原理及方案
通過激光器雙偏振（TE/TM模式）并行傳輸兩路獨立信號，并在基于矢量偏振態(SOP)監測器的硅光子(SiPh)集成接收器中進行解復用，結合偏振恢復算法，實現單波長容量翻倍，突破傳統IMDD單偏振限制。
1. 發射端DP transmitter (Tx)：基于雙偏振外部調制激光器（DP-EML）TOSA
創新采用空間偏振復用封裝技術，將兩組EML集成于26.8mm微型TOSA內。
圖1（a）DP-EML TOSA的示意圖，(b)器件實物圖。
圖 1(a) 顯示了 DP-EML TOSA 的原理圖：兩個EML分別安裝在兩個單獨的熱電制冷器（TEC）上，TEC和監控光電二極管(PD)用于保持激光溫度和輸出功率恒定。空間偏振多路復用由光束準直器、隔離器、半波板和偏振光束連接器(PBC)組成。
圖1(b)顯示了 TOSA 的器件實物圖。兩個柔性印刷電路(FPC)用于電氣連接，高頻和低頻信號路徑分開。光輸出端口使用了一個包含 SMF 的 LC 接口。實物尺寸為 26.8x6.7x5.3 mm。
激光器在80mA驅動電流下的光纖輸出功率為5mW，1V至-3V反向偏壓下，直流消光比（ER）超過10dB。
圖2（c) 兩個輸出通道的光譜 (d) PER 與波長間距的關系
通過調整TEC，EML1固定在1306.6nm，EML2固定在1307.9nm，兩個EML之間的波長間隔為1.3nm（如圖2（C）顯示的激光光譜）。圖2(d)顯示測量偏振消光比(PER)超過25dB，這將確保兩偏振態之間的良好正交性。
圖3 (e)(f) 兩個輸出通道的眼圖
圖 3(e)和(f)分別顯示了每個偏振上均衡106.25Gbps 眼圖。EML 1 的 TDECQ 為 2.7dB，ER 為 3.6dB；EML 2 的 TDECQ 為 2.7dB，ER 為 3.8dB。縮短 TOSA 和 DSP 芯片之間的射頻互連有可能提高 TDECQ 和 ER。這種 DP-EML TOSA 可以升級到每偏振 200Gbps。
2. 接收端SiPh DP Rx：硅光子偏振解復用系統
DP-IMDD系統的接收端采用單片集成的硅基光電子芯片，結構緊湊（5.8 mm x 1.5 mm），包含偏振解復用器、矢量化偏振態(SOP)監測器和兩個高速硅鍺光電探測器(PD)。
圖4：SiPh DP Rx的(a)框圖 (b)芯片照片
偏振解復用器尤為重要，具有偏振恢復的功能。接受到的DP信號，經過偏振分束旋轉器(PBSR)后，被分割被轉換為橫電（TE）模信號的兩個支流。兩個級聯的馬赫-澤恩德干涉儀（MZI）一起充當一個單元偏振控制器，與控制相位?和θ，可將任何輸入 SOP 轉換為所需的解復用 SOP。
基于光混合器和低速 PD 實現的分接 SOP 監測器的分接比小于 5%，帶寬小于 1GHz。
硅鍺偏振器能夠支持每個偏振 200Gbps 的速率，因此 DP Rx 潛在支持每根光纖 400Gbps 的速率。
3、偏振恢復算法
基于矢量化偏振態（SOP）監測和解析相位控制的主動跟蹤機制，穩健、快速、無盡的偏振跟蹤算法，避免多步盲搜索或爬坡算法，能夠解決因光纖鏈路偏振態隨機擾動導致的信號解復用問題。
該算法通過實時提取矢量化SOP監測器輸出的信息，通過Stokes空間的三維矢量描述當前光信號的偏振狀態。由于雙偏振信號在光纖中需保持正交性，理想情況下調制數據的瞬時監測SOP形成一條穿過原點、并指向Poincare球上兩個相反（正交）點的直線。分析瞬時SOP的協方差矩陣，算法可以確定最大方差方向，對應矢量化監測器SOP。
利用這些信息，算法可以計算出實現偏振解復用所需的控制相位（φ和θ）。這些相位的閉式解使得對任何隨機輸入SOP都能進行一步偏振恢復，從而實現快速準確的偏振跟蹤。
二、傳輸實驗
圖5:1km 2x106.25Gbps DP傳輸實驗設置
傳輸實驗包括：DP EML TOSA 和SiPh DP RX。DP EML TOSA 通過 FPC 連接到評估板，并由Broadcom Centenario 87400 DSP評估板的4個通道中的2個驅動，線速率為106.25Gbps。DP Rx PIC通過引線連接到Macom跨阻放大器（TIA），其2個通道連接到DSP評估板以收集實時誤碼率（BER）。
使用1km SMF作為傳輸鏈路，以模擬數據中心內部應用。在鏈路中插入擾偏器，產生隨機偏振旋轉，以評估解復用性能。使用摻鐠光纖放大器（PDFA）和可變光衰減器（VOA）補償擾動器和設備帶來的額外損耗。
圖6：SP 和 DP 的 PD 靈敏度比較
對于靜態偏振情況（未啟用擾動），圖6展示了單偏振（SP）設置和雙偏振（DP）設置之間的Rx PD靈敏度比較。單偏振設置通過關閉DP EML Tx的一個通道并監測DP Rx的一個通道BER來配置。
結果顯示，SP和DP均可實現約10?? BER底限和-8dBm靈敏度（@KP4 FEC閾值為2.4 × 10??）。SP和DP之間的性能差異可忽略不計，這證明了DP-IMDD方案的可行性。
在動態擾動情況下，隨機偏振軌跡在Poincare球上可視化，如圖5所示。用瞬時角速度直方圖描繪擾動速度，最大速度約為100rad/s。圖7(a)和(b)展示了兩個Rx通道在動態擾動開啟后的BER隨時間變化，持續2分鐘。兩個通道的LSB和MSB均保持約10??級別的穩定BER。
圖7采用偏振擾動的接收誤碼率隨時間變化情況 (a)通道 1 和 (b) 通道2
圖8(a)和(b)展示了控制相位?和θ、矢量化SOP監控e1,e2,e3的動態采樣。可以看到，當控制相位持續跟蹤輸入SOP變化時，矢量化SOP可以保持相對穩定。
圖8：（a）控制階段和（b）SOP監控隨時間的變化
通過對線路側的 KP4 FEC 編碼器和解碼器進行調諧，執行后 FEC 實驗。無論隨機擾動還是手動搖晃、振動或扭曲光纖，2分鐘內未觀察到碼字錯誤，報告的KP4 FEC T-max未超過4。
三、結論
本文演示了一種DP-IMDD傳輸系統，采用DP EML TOSA作為Tx、SiPh PIC作為Rx。通過實現所提出的快速收斂偏振恢復算法，成功在動態擾動情況下解復用2 × 106.25 Gbps DP信號。實驗證明了低成本DP解決方案在數據中心內部應用中的可行性。該方案潛在適用于2 × 212.5 Gbps系統，基于EML或SiPh Tx，為現有SERDES的400-Gbps IMDD短距離傳輸鋪平道路。
參考文獻
[1] Y. Zhao, C. Doerr, F. G. Vanani, M. Takeshita, and H. Kamisugi, "Dual-polarization IMDD System for Data-Center Connectivity," in ECOC 2024
[2]Zhao, Ying; Doerr, Christ; Vanani, G, Fatemeh; et al., “Dual-Polarization IMDD System for Data-Center Connectivity”, IEEE Journal of Lightwave Technology, Early access DOI: 10.1109/JLT.2025.3561580, 2025
單通道400G文獻報道
[3]Zhao, Ying; Doerr, Christ; Liu, Fengyu; et al., “425-Gbps/λ Dual-Polarization IMDD Transceiver Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC/NFOEC), Th4B.5, 2025
四、產品信息
1. EV04DD1B-AL009A
400G DPDR1 Tx+Rx PIC EVB
技術：實現商業化的 180 納米 SOI（絕緣體上硅）技術
特點:
- 106.25Gbaud
- 業內首個單激光器，雙偏振400Gbps系統
- 由Broadcom或Marvell DSP直接驅動（無需驅動IC）
- 倒裝芯片(Flip chip)
應用：
- 500 米 DR1 SMF 傳輸鏈路
2. AL53-DR4 TX: SP4DR4TD-AL001B 400G DR4 SiPh Tx PIC
技術：實現商業化的 180 納米 SOI（絕緣體上硅）技術
特點：
- 53.125/56.25Gbaud ?一個激光輸入
- 由Broadcom或Marvell DSP直接驅動（無需驅動IC）
- 4個獨立的100 Gb/s PAM4光發射機 ?低插入損耗
- 可引線鍵合
-
用于光纖耦合和偏壓控制的集成監控器
- 單通道106Gbps PAM4，4λ實現425.6Gbps吞
-吐量 - 傳輸10km功耗＜9W，誤碼率＜1e-12
應用：
- 500m DR4/ 2km DR4+ SMF 傳輸鏈路 ?LPO 兼容
3. AL53-DR8-G2: SP8DR8TD-AL006A 800G DR8 SiPh Tx PIC
技術：實現商業化的 180 納米 SOI（絕緣體上硅）技術
特點：
- 53.125/56.25Gbaud ?兩個激光輸入
- 由Broadcom或Marvell DSP直接驅動（無需驅動IC）
- 8個獨立的100 Gb/s PAM4光發射機
- 低插入損耗
- 可引線鍵合
- 用于光纖耦合和偏壓控制的集成監控器
- 小尺寸：2.985 mm X 5.600 mm
應用：
- 500 米 DR8 SMF 傳輸鏈路
- LPO 兼容
4. AL112-DR4(Tx): SP8DR4TD-AL007A 800G DR4 SiPh Tx PIC
技術：實現商業化的 180 納米 SOI（絕緣體上硅）技術
特點：
- 106.25/112.5Gbaud
- 由Broadcom或Marvell DSP直接驅動（無需驅動IC）
- 4個獨立的200 Gb/s PAM4光發射機
- 低插入損耗 ?倒裝芯片(Flip chip)
- 用于光纖耦合和偏壓控制的集成監控器
應用：
- 500 米 DR8 SMF 傳輸鏈路
5. AL112-DR4(Tx&Rx): SP8D4TRD-AL008A 800G DR4 SiPh Tx+Rx PIC
技術：實現商業化的 180 納米 SOI（絕緣體上硅）技術
特點：
- 106.25/112.5Gbaud
- 由Broadcom或Marvell DSP直接驅動（無需驅動IC）
- 4個獨立的200 Gb/s PAM4光發射機和接收機
- 低插入損耗 ?倒裝芯片(Flip chip)
- 用于光纖耦合和偏壓控制的集成監控器
應用：
- 500 米 DR8 SMF 傳輸鏈路
