在AI数据中心爆发式增长、向1.6T时代加速迭代的今天，ALOE Semiconductor凭借其革命性的双偏振强度调制直接检测（DP-IMDD）技术，成功突破短距光纤传输的容量瓶颈。这项技术不仅将单模光纤容量翻倍，更以低功耗、小体积、高兼容性三大优势，重新定义数据中心互连标准！

一、技术原理及方案

通过激光器双偏振（TE/TM模式）并行传输两路独立信号，并在基于矢量偏振态(SOP)监测器的硅光子(SiPh)集成接收器中进行解复用，结合偏振恢复算法，实现单波长容量翻倍，突破传统IMDD单偏振限制。

1. 发射端DP transmitter (Tx)：基于双偏振外部调制激光器（DP-EML）TOSA

创新采用空间偏振复用封装技术，将两组EML集成于26.8mm微型TOSA内。

图1（a）DP-EML TOSA的示意图，(b)器件实物图。

图 1(a) 显示了 DP-EML TOSA 的原理图：两个EML分别安装在两个单独的热电制冷器（TEC）上，TEC和监控光电二极管(PD)用于保持激光温度和输出功率恒定。空间偏振多路复用由光束准直器、隔离器、半波板和偏振光束连接器(PBC)组成。
图1(b)显示了 TOSA 的器件实物图。两个柔性印刷电路(FPC)用于电气连接，高频和低频信号路径分开。光输出端口使用了一个包含 SMF 的 LC 接口。实物尺寸为 26.8x6.7x5.3 mm。

激光器在80mA驱动电流下的光纤输出功率为5mW，1V至-3V反向偏压下，直流消光比（ER）超过10dB。

图2（c) 两个输出通道的光谱 (d) PER 与波长间距的关系

通过调整TEC，EML1固定在1306.6nm，EML2固定在1307.9nm，两个EML之间的波长间隔为1.3nm（如图2（C）显示的激光光谱）。图2(d)显示测量偏振消光比(PER)超过25dB，这将确保两偏振态之间的良好正交性。

图3 (e)(f) 两个输出通道的眼图

图 3(e)和(f)分别显示了每个偏振上均衡106.25Gbps 眼图。EML 1 的 TDECQ 为 2.7dB，ER 为 3.6dB；EML 2 的 TDECQ 为 2.7dB，ER 为 3.8dB。缩短 TOSA 和 DSP 芯片之间的射频互连有可能提高 TDECQ 和 ER。这种 DP-EML TOSA 可以升级到每偏振 200Gbps。

2. 接收端SiPh DP Rx：硅光子偏振解复用系统

DP-IMDD系统的接收端采用单片集成的硅基光电子芯片，结构紧凑（5.8 mm x 1.5 mm），包含偏振解复用器、矢量化偏振态(SOP)监测器和两个高速硅锗光电探测器(PD)。

图4：SiPh DP Rx的(a)框图 (b)芯片照片

偏振解复用器尤为重要，具有偏振恢复的功能。接受到的DP信号，经过偏振分束旋转器(PBSR)后，被分割被转换为横电（TE）模信号的两个支流。两个级联的马赫-泽恩德干涉仪（MZI）一起充当一个单元偏振控制器，与控制相位ϕ和θ，可将任何输入 SOP 转换为所需的解复用 SOP。

基于光混合器和低速 PD 实现的分接 SOP 监测器的分接比小于 5%，带宽小于 1GHz。

硅锗偏振器能够支持每个偏振 200Gbps 的速率，因此 DP Rx 潜在支持每根光纤 400Gbps 的速率。

3、偏振恢复算法

基于矢量化偏振态（SOP）监测和解析相位控制的主动跟踪机制，稳健、快速、无尽的偏振跟踪算法，避免多步盲搜索或爬坡算法，能够解决因光纤链路偏振态随机扰动导致的信号解复用问题。

该算法通过实时提取矢量化SOP监测器输出的信息，通过Stokes空间的三维矢量描述当前光信号的偏振状态。由于双偏振信号在光纤中需保持正交性，理想情况下调制数据的瞬时监测SOP形成一条穿过原点、并指向Poincare球上两个相反（正交）点的直线。分析瞬时SOP的协方差矩阵，算法可以确定最大方差方向，对应矢量化监测器SOP。

利用这些信息，算法可以计算出实现偏振解复用所需的控制相位（φ和θ）。这些相位的闭式解使得对任何随机输入SOP都能进行一步偏振恢复，从而实现快速准确的偏振跟踪。

二、传输实验

图5:1km 2x106.25Gbps DP传输实验设置

传输实验包括：DP EML TOSA 和SiPh DP RX。DP EML TOSA 通过 FPC 连接到评估板，并由Broadcom Centenario 87400 DSP评估板的4个通道中的2个驱动，线速率为106.25Gbps。DP Rx PIC通过引线连接到Macom跨阻放大器（TIA），其2个通道连接到DSP评估板以收集实时误码率（BER）。

使用1km SMF作为传输链路，以模拟数据中心内部应用。在链路中插入扰偏器，产生随机偏振旋转，以评估解复用性能。使用掺镨光纤放大器（PDFA）和可变光衰减器（VOA）补偿扰动器和设备带来的额外损耗。

图6：SP 和 DP 的 PD 灵敏度比较

对于静态偏振情况（未启用扰动），图6展示了单偏振（SP）设置和双偏振（DP）设置之间的Rx PD灵敏度比较。单偏振设置通过关闭DP EML Tx的一个通道并监测DP Rx的一个通道BER来配置。

结果显示，SP和DP均可实现约10⁻⁷ BER底限和-8dBm灵敏度（@KP4 FEC阈值为2.4 × 10⁻⁴）。SP和DP之间的性能差异可忽略不计，这证明了DP-IMDD方案的可行性。

在动态扰动情况下，随机偏振轨迹在Poincare球上可视化，如图5所示。用瞬时角速度直方图描绘扰动速度，最大速度约为100rad/s。图7(a)和(b)展示了两个Rx通道在动态扰动开启后的BER随时间变化，持续2分钟。两个通道的LSB和MSB均保持约10⁻⁷级别的稳定BER。

图7采用偏振扰动的接收误码率随时间变化情况 (a)通道 1 和 (b) 通道2

图8(a)和(b)展示了控制相位ϕ和θ、矢量化SOP监控e₁,e₂,e₃的动态采样。可以看到，当控制相位持续跟踪输入SOP变化时，矢量化SOP可以保持相对稳定。

图8：（a）控制阶段和（b）SOP监控随时间的变化

通过对线路侧的 KP4 FEC 编码器和解码器进行调谐，执行后 FEC 实验。无论随机扰动还是手动摇晃、振动或扭曲光纤，2分钟内未观察到码字错误，报告的KP4 FEC T-max未超过4。

三、结论

本文演示了一种DP-IMDD传输系统，采用DP EML TOSA作为Tx、SiPh PIC作为Rx。通过实现所提出的快速收敛偏振恢复算法，成功在动态扰动情况下解复用2 × 106.25 Gbps DP信号。实验证明了低成本DP解决方案在数据中心内部应用中的可行性。该方案潜在适用于2 × 212.5 Gbps系统，基于EML或SiPh Tx，为现有SERDES的400-Gbps IMDD短距离传输铺平道路。

参考文献

[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

单通道400G文献报道

[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、产品信息

1. EV04DD1B-AL009A
400G DPDR1 Tx+Rx PIC EVB

技术：实现商业化的 180 纳米 SOI（绝缘体上硅）技术

特点:

• 106.25Gbaud
• 业内首个单激光器，双偏振400Gbps系统
• 由Broadcom或Marvell DSP直接驱动（无需驱动IC）
• 倒装芯片(Flip chip)

应用：

• 500 米 DR1 SMF 传输链路

2. AL53-DR4 TX: SP4DR4TD-AL001B 400G DR4 SiPh Tx PIC

技术：实现商业化的 180 纳米 SOI（绝缘体上硅）技术

特点：

• 53.125/56.25Gbaud ▫一个激光输入
• 由Broadcom或Marvell DSP直接驱动（无需驱动IC）
• 4个独立的100 Gb/s PAM4光发射机 ▫低插入损耗
• 可引线键合
• 用于光纤耦合和偏压控制的集成监控器
  - 单通道106Gbps PAM4，4λ实现425.6Gbps吞
  -吐量 - 传输10km功耗＜9W，误码率＜1e-12

应用：

• 500m DR4/ 2km DR4+ SMF 传输链路 ▫LPO 兼容

3. AL53-DR8-G2: SP8DR8TD-AL006A 800G DR8 SiPh Tx PIC

技术：实现商业化的 180 纳米 SOI（绝缘体上硅）技术

特点：

• 53.125/56.25Gbaud ▫两个激光输入
• 由Broadcom或Marvell DSP直接驱动（无需驱动IC）
• 8个独立的100 Gb/s PAM4光发射机
• 低插入损耗
• 可引线键合
• 用于光纤耦合和偏压控制的集成监控器
• 小尺寸：2.985 mm X 5.600 mm

应用：

• 500 米 DR8 SMF 传输链路
• LPO 兼容

4. AL112-DR4(Tx): SP8DR4TD-AL007A 800G DR4 SiPh Tx PIC

技术：实现商业化的 180 纳米 SOI（绝缘体上硅）技术

特点：

• 106.25/112.5Gbaud
• 由Broadcom或Marvell DSP直接驱动（无需驱动IC）
• 4个独立的200 Gb/s PAM4光发射机
• 低插入损耗 ▫倒装芯片(Flip chip)
• 用于光纤耦合和偏压控制的集成监控器

应用：

• 500 米 DR8 SMF 传输链路

5. AL112-DR4(Tx&Rx): SP8D4TRD-AL008A 800G DR4 SiPh Tx+Rx PIC

技术：实现商业化的 180 纳米 SOI（绝缘体上硅）技术

特点：

• 106.25/112.5Gbaud
• 由Broadcom或Marvell DSP直接驱动（无需驱动IC）
• 4个独立的200 Gb/s PAM4光发射机和接收机
• 低插入损耗 ▫倒装芯片(Flip chip)
• 用于光纤耦合和偏压控制的集成监控器

应用：

• 500 米 DR8 SMF 传输链路