Nonlinear pluggable optics: Digital signal processing-free Intensity Modulated Direct Detection links using analog photonic Next Generation Reservoir Computing

技术摘要：基于模拟光子次世代储备池计算的非线性可插拔光模块

问题陈述
AI/ML 数据中心互连不断增长的带宽需求，推动了线性可插拔光模块（LPO）的采用，旨在通过消除数字信号处理（DSP）来降低功耗和延迟。然而，LPO 架构缺乏纠正由非理想编码电子器件（DAC、调制器）和光信道损伤（色散、克尔非线性）引起的非线性失真的能力。因此，LPO 被限制在 O 波段（近零色散）和较短距离内。相反，基于 DSP 的解决方案虽然能够实现更长的传输距离，但会消耗大量功率（高达收发器功率的 5-50%），并为实时应用引入不可接受的延迟。此外，标准的强度调制/直接检测（IM/DD）链路会丢失光相位信息，这限制了 DSP 在高符号速率（例如 50 GBd）下补偿超过 ~1 km 损伤的能力。

方法论
作者提出了一种利用在光子集成电路（PIC）上实现的模拟光子次世代储备池计算（NGRC）架构的非线性可插拔光模块（NLPO）收发器。与传统的储备池计算不同，NGRC 不依赖于循环反馈；相反，它们通过对离散时间样本进行线性与非线性变换来生成特征向量。

所提出的基于 PIC 的 NGRC 运行机制如下：

1. 输入特征向量生成： 输入的受损光场被分成 $N_{in}$ 条具有不同延迟的路径，以创建时延输入向量。至关重要的是，该向量在无需局部振荡器（LO）的情况下保留了复数光场（幅度与相位）。
2. 特征混合： 输入向量在无源区域（例如，通过倏逝耦合波导）进行相干混合，形成散斑图案。这种混合有效地将信号分解为输入数据的多项式组合，从而充当储备池状态。
3. 加权检测： 使用微环调制器对加权后的信号进行加权处理。加权信号被平衡光电探测器检测，并通过减去产生的光电流来恢复修正后的符号。
4. 过采样： 系统使用光延迟线以显著高于符号速率的速率（$R_{os}$）（例如，对于 50 GBd 链路为 250 GS/s）对数据进行过采样，从而绕过了对高带宽电子采样技术的依赖。

核心贡献

• 无 DSP 非线性补偿： 本文展示了一种完全模拟、无需 DSP 的方法，用于补偿包括电子编码失真和光传播损伤（色散和克尔非线性）在内的各项损伤。
• 无需 LO 的相位信息利用： 该研究表明，光子 NGRC 可以在不需要局部振荡器或共传播载波的情况下，获取并利用光相位信息进行均衡，而这通常是相干系统才具备的能力。
• 光学过采样： 作者指出，能够在远高于符号速率的速率下进行光学过采样是光子储备池的一个主要优势，这使得提取数字 DSP 在没有昂贵电子设备时无法获取的信息成为可能。
• PIC 实现： 研究详细介绍了一种适用于与现有收发器技术集成的空间复用 PIC 架构，强调了通过无源特征向量生成来最小化功耗。

结果
通过对 50 GBd PAM-4 链路（100 Gb/s）进行仿真，以评估其相对于基于 DSP 的 FIR 滤波器和数字 NGRC 的性能：

• 10 km 处的性能： 在无噪声的 10 km 链路中，光子 NGRC 的表现显著优于基于 DSP 的方法。当数字 FIR 滤波器和数字 NGRC 无法达到 KP4 前向纠错（FEC）阈值（$2.2 \times 10^{-4}$）时，光子 NGRC 在记忆长度（$M$）为 6 或更大时实现了低于该阈值的误码率（BER）。
• 过采样的影响： 增加过采样率（$R_{os}$）使得光子 NGRC 能够实现无误传输（$BER < 10^{-6}$），其中当 $R_{os} \ge 2$（配合 LO）或 $R_{os} \ge 3$（无 LO）时即可实现。无论过采样率如何，基于 DSP 的方法都无法达到 FEC 阈值。
• 距离扩展： 通过优化记忆长度，光子 NGRC 将典型的 LPO 1 km 限制范围扩展到了 50 km 以上。具体而言，当 $M=11$ 时，系统在高达 51.2 km 的距离内仍能保持 BER 低于 KP4 阈值。
• 针对现实约束的优化： 作者通过将输出特征向量大小（$N_{out}$）减少到 32 来优化实际 PIC 的设计。最优配置为 $M \approx 4.2$ 且 $R_{os} = 5$，实现了 $2 \times 10^{-5}$ 的 BER。
• 噪声鲁棒性： 包括放大自发辐射（ASE）和散粒噪声在内的仿真表明，通过提供约 20 dB 增益的掺铒光纤放大器（EDFA），系统可以克服 PIC 插入损耗并保持 BER 低于 FEC 阈值。

意义与主张
本文声称，这项工作展示了光子 NGRC 在实际应用中超越最先进数字解决方案的潜力。所提出的 NLPO 架构为低延迟、低功耗的 IM/DD 链路提供了一条路径，使其能够在数十公里（10s of km）范围内以及 C 波段内运行，克服了当前 LPO 的距离和鲁棒性限制。作者强调，这是首个证明过采样是光子储备池主要优势的研究。尽管目前的结论基于仿真并包含了噪声模型，但该工作为实验实现奠定了理论和架构基础，作者也指出这正是他们目前的研究重点。