（1）前言

　随着向6G的演进，移动通信速度预计将达到5G的10倍，即数百Gbps，同时每平方公里的连接设备数量也将是5G的10倍，达到数千万台。由此产生的数据流量将持续急剧增长。此外，4G和5G时代的演进主要围绕手机和智能手机进行，而进入6G时代，人工智能（AI）领域被寄予厚望，正作为"杀手级应用"受到高度关注并迅速发展。
在AI需求增长的推动下，数据中心的流量呈爆炸性增长，基础设施设备也在不断向高速化演进。支撑这些通信的光模块（光收发器）其通信速率正从800G向1.6T甚至3.2T迈进，已成为行业趋势。本公司为了维持上述高速通信的品质，采用光刻技术进行精密加工的基本波晶体设计，为客户提供高品质基准时钟。

（2）技术背景

　在光传输中，**强度调制-直接检测（IM-DD）**方式通过提高波特率（Baud rate）及采用多电平调制技术，增加每个符号携带的比特数，从而实现高速化。在400G/800G通信中，调制方式正由NRZ（非归零）转向PAM4（四电平脉幅调制）。在总幅度不变的前提下，PAM4的每个电平的信号幅度为NRZ的1/3，因此其对噪声的敏感度更高，信噪比（SNR）要求更为严格。另外，在**数字相干（Digital Coherent）**传输方式中，X偏振与Y偏振分别承载位相与幅度信息，SNR（信噪比）成为衡量性能的重要指标。当前行业在400G以上的光收发器中已广泛采用16QAM（16阶正交幅度调制）以实现更高的传输速度。在这些高速数据处理环境中，需要**小型化、高温操作、高频率、低相位抖动的参考时钟（晶体振荡器）**

（3）光通信的市场趋势

3.1　通信速度的提升

　为了提升数据通信速率，通常通过三种方式实现：

• 提高波特率（Baud rate）
• 增加每个符号可携带的比特数
• 增加传输通道（Lane）数

组合上述方式，以实现更高的数据传输速度。

3.2　符号的多级调制

3.2.1　强度调制直接检测方式（IM-DD）

　通过将振幅（光强）进行多级化，从而提升每个符号所携带的比特数。
在PAM4调制方式下，与NRZ相比，在总振幅相同的情况下，每一级的振幅仅为原来的1/3，若噪声水平不变，则信噪比（SNR）会下降。

*※此图片为示意图。

3.2.2　数字相干传输方式（Digital Coherent）

　在X偏振和Y偏振中分别承载位相/振幅（光强）信息进行传输。随着调制等级的增加，符号间距减小，即使噪声水平保持不变，信噪比（SNR）也会下降。

3.2.3　对UI（单位间隔）的容差

　这是相对于采样UI的容差设定。当保持UI容差范围（UIrms）比例恒定的前提下，如果波特率提高，则UIrms的绝对值相对变小。
这意味着对参考时钟的抖动要求更为严格。波特率提升为2倍时，抖动被要求降低为1/2。

3.2.4　相位噪声掩模（Phase Noise Mask）

　这是关于相位噪声的技术标准。当波特率提升至2倍的高频段时，相位噪声掩模的要求将按20Log(N)的公式变为-6dB，即更加严格。
因此，对参考时钟的相位噪声规格也有着更高的要求。

（4）强度调制直接检测方式的传输问题

　在WDM（波分复用）系统中，波长色散会引起时间方向的展宽，导致波形失真。
由于接收端无法读取相位信息，只能读取信号强度，因此会造成读取错误。
随着传输距离的增加及波特率的提高，波长色散的影响将更为明显。在调制与解调过程中，必须使用低抖动的参考时钟。
在进行传输系统设计时，确保收发功率预算非常关键（在WDM系统中，还需考虑上述波长色散导致的性能下降）。

＜强度调制直接检测方式　方框图＞

（5）数字相干方式（Digital Coherent）

　数字相干是一种通过DSP（数字信号处理器）进行波长色散补偿的调制方式，因此不易受到波长色散的影响。在调制光源时，相位方向的噪声会影响接收端的解调性能。此外，当调制方式从QPSK（每符号2比特）提升到16QAM（每符号4比特）时，符号间的间隔会进一步缩小，在相位噪声保持不变的情况下，信噪比（SNR）会下降。因此，在调制与解调过程中，需要低抖动的参考时钟。在长距离、多级中继的传输系统中，由于需要添加多个放大器，放大器带来的噪声会不断累积，导致信噪比（SNR）进一步恶化。因此，在进行传输系统设计时，为了确保接收机的OSNR（光信噪比），合理分配和控制噪声预算（Noise Budget）尤为重要。

＜数字相干方式　方框图＞

（6）开发的产品

　本公司利用光刻（Photolithography）技术，成功开发出可耐高温的基本波高频晶体振荡器。同时，我们还开发了可补偿晶体温度频率特性的低相位抖动的小型IC与小型封装。通过这些技术，我们实现了支持高温（最高 +105℃）环境下运行的差分输出晶体振荡器，其具备世界领先水平的高频率、高精度及低相位抖动性能，封装尺寸分别为 2.0×1.6mm 和 2.5×2.0mm。

6.1　相位抖动（相位噪声）

　相位抖动的优劣通过对12kHz 至 20MHz 偏移频率范围内的相位噪声进行积分（即面积）来评估。此处展示了与MEMS振荡器的相位噪声特性对比图。

　从结果可以看出，MEMS振荡器的相位抖动性能无法达到晶体振荡器的优异水平。
在高速通信中，相位抖动特性至关重要，因此推荐选用晶体振荡器。

　MEMS振荡器相位抖动较差的主要原因在于：MEMS振荡器通常由PLL电路构成。PLL结构的振荡器虽然可以灵活设定各种输出频率，并通过参考时钟的频率精度轻松生成高频信号，但其相位噪声性能较差。典型的PLL基本结构包括：是由VCO、可编程分频器、相位比较器、环路滤波器（电荷泵）、LPF和参考时钟构成。在PLL结构中，VCO部分的相位噪声通常非常严重。为了抑制VCO的相位噪声，通常会将LPF的截止频率设置得较高。但在截止频率以下的低频段内，无法有效抑制噪声，参考时钟本身的相位噪声会直接传递出来，并且根据PLL的倍频数N，其相位噪声将恶化为N倍。除此之外，PLL中各个模块如相位比较器等也会引入额外的噪声。

另一方面，本公司的振荡器并未采用PLL电路，而是通过以基频振荡方式直接输出高频信号，实现了低抖动的最优电路结构。然而，为实现这一点，需要将晶体振荡器本身设计为目标输出频率的振动频率，这在技术上具有一定的难度。要以基频方式制造频率超过100MHz的晶体振荡器，光刻（Photolithography）技术是不可或缺的。此外，高纯度的石英晶体原石具有更高的Q值，能够有效抑制噪声。本公司在原石培养方面拥有丰富的经验和制造技术，掌握着高Q值原石的育成技术（High-Q Crystal Growth Technology）。正是依靠这些技术，我们能够在超过100MHz的高频率范围内，提供具有卓越低相位抖动性能的参考频率。

6.2　功耗

　与MEMS振荡器相比，晶体振荡器的功耗可降低约30%。

　从功耗的角度来看，也是更推荐使用晶体振荡器的理由之一。MEMS振荡器由于其PLL结构所包含的多个电路单元，整体功耗较高。而在数据中心市场，由于需要处理海量数据，其电力消耗极大，因此降低功耗是一个重要课题。
在当前尽可能减少能耗的趋势下，选择低功耗元器件已成为选型标准之一，这也是晶体振荡器更受青睐的原因之一。

6.3　模块尺寸

　我们开发了全球最小尺寸之一的2.0mm×1.6mm差分输出晶体振荡器。通过此产品，扩展了差分输出振荡器的标准尺寸系列，满足产品小型化的需求。在光通信模块领域，随着传输速率的提升，模块尺寸正朝着小型化方向发展。
但即使在尺寸受限的条件下，所需元器件数量却不断增加，无法为实现电路板预留足够的面积。因此，选择小型化表面贴装器件对电路板布局设计起着至关重要的作用。

（7）最后

　本公司通过实现小型化、高频率、低噪声的晶体器件，致力于为光传输基础设施的高性能化做出贡献。