短距离相干光系统中高鲁棒性低复杂度符号速率联合定时恢复与均衡

《Journal of Lightwave Technology》：High-Robustness and Low-Complexity Symbol-Rate Joint Timing Recovery and Equalization for Short-Reach Coherent Optical System

　　

摘要：

完全符号速率相干数字信号处理（DSP）在短距数据中心互连领域具有吸引力，但每符号单采样的定时恢复对载波相位噪声和残余频率偏移较为脆弱。我们提出并实验验证了一种稳健、低复杂度的符号速率接收端DSP方案，该方案将定时恢复、均衡和载波恢复联合集成在一个耦合跟踪环路中。斯托克斯空间偏振解复用仅用于初始获取。随后，有效载荷由级联均衡链处理，该均衡链包括：一个用于偏振跟踪的单抽头2×2 MIMO滤波器，一个用于残余码间干扰和色散抑制的N抽头SISO滤波器，以及一个用于定时偏差补偿的3抽头4×4实值后滤波器。环路中嵌入了一个复加权判决辅助最大似然载波恢复模块，从而无需独立的频率偏移估计和锁相环结构即可实现相位噪声和频率偏移的联合补偿。定时恢复采用每符号单采样模式，使用改进的免乘法器Mueller-Muller检测器。当N=21时，与归一化的传统相干DSP基准方案相比，所提架构将实数乘法器数量减少了62.6%。在32 GBaud PM-16QAM实验中，所提方案在误码率阈值为1×10?3的条件下，背靠背和2 km传输的接收光功率代价分别为1.22 dB和1.42 dB。此外，该方案在残余频率偏移高达1 GHz时仍能可靠工作，并支持在误码率阈值为10?3条件下最远10 km的传输距离。

I. 引言

随着ChatGPT、Deepseek等大型语言模型（LLMs）的兴起，计算负载变得更大，需要分布到不同的计算机柜甚至不同的数据中心。与此同时，移动和互联网流量报告显示网络需求持续增长，而面向6G的研究进一步强调了未来网络需要支持社会5.0连接需求[1], [2], [3]。目前，基于强度调制/直接探测（IM/DD）技术的光互连在该领域占据主导地位。尽管IM/DD系统已经可以实现每波长400 Gbps的速率，但预计IM/DD难以进一步提升传输容量。接收端场恢复方法，包括Kramers-Kronig相干接收和具有光场恢复或偏振解复用功能的斯托克斯矢量接收机，已被研究用于增强简化型或面向直接探测接收结构的信息恢复能力[4], [5], [6]。然而，相干光通信具有高灵敏度和高谱效率，有望满足数据中心互连日益增长的容量需求。高成本和高功耗仍然是将相干光通信部署到数据中心之前需要解决的关键挑战。