Kompaktowa optoelektronika na bazie krzemuModulator IQdo szybkiej spójnej komunikacji
Rosnące zapotrzebowanie na szybsze przesyłanie danych i bardziej energooszczędne transceivery w centrach danych spowodowało rozwój kompaktowych, wydajnych urządzeńmodulatory optyczne. Technologia optoelektroniczna oparta na krzemie (SiPh) stała się obiecującą platformą do integracji różnych komponentów fotonicznych na jednym chipie, umożliwiając kompaktowe i ekonomiczne rozwiązania. W tym artykule zbadamy nowy krzemowy modulator IQ z tłumieniem nośnym oparty na GeSi EAMs, który może działać z częstotliwością do 75 Gbaud.
Konstrukcja i charakterystyka urządzenia
Proponowany modulator IQ przyjmuje kompaktową strukturę trójramienną, jak pokazano na rysunku 1 (a). Składa się z trzech GeSi EAM i trzech termooptycznych przesuwników fazowych, przyjmując symetryczną konfigurację. Światło wejściowe jest sprzężone z chipem przez sprzęgacz kratowy (GC) i równomiernie podzielone na trzy ścieżki przez interferometr wielomodowy 1×3 (MMI). Po przejściu przez modulator i przesuwnik fazowy światło jest rekombinowane przez kolejny 1×3 MMI, a następnie sprzężone z włóknem jednomodowym (SSMF).
Rysunek 1: (a) Mikroskopowy obraz modulatora IQ; (b) – (d) EO S21, widmo współczynnika ekstynkcji i transmisja pojedynczego GeSi EAM; (e) Schematyczny diagram modulatora IQ i odpowiadającej mu fazy optycznej przesuwnika fazy; (f) Reprezentacja tłumienia nośnych na płaszczyźnie zespolonej. Jak pokazano na rysunku 1 (b), GeSi EAM ma szerokie pasmo elektrooptyczne. Rysunek 1 (b) zmierzył parametr S21 pojedynczej struktury testowej GeSi EAM przy użyciu analizatora składowych optycznych (LCA) o częstotliwości 67 GHz. Rysunki 1 (c) i 1 (d) przedstawiają odpowiednio widma współczynnika ekstynkcji statycznej (ER) przy różnych napięciach prądu stałego i transmisję przy długości fali 1555 nanometrów.
Jak pokazano na Rysunku 1 (e), główną cechą tej konstrukcji jest możliwość tłumienia nośnych optycznych poprzez regulację zintegrowanego przesuwnika fazy w środkowym ramieniu. Różnica faz między górnym i dolnym ramieniem wynosi π/2, używana do zespolonego strojenia, podczas gdy różnica faz między środkowym ramieniem wynosi -3 π/4. Ta konfiguracja umożliwia destrukcyjną interferencję z nośną, jak pokazano na płaszczyźnie zespolonej na Rysunku 1 (f).
Konfiguracja eksperymentalna i wyniki
Eksperymentalna konfiguracja o dużej prędkości jest pokazana na rysunku 2 (a). Generator przebiegów dowolnych (Keysight M8194A) jest używany jako źródło sygnału, a dwa 60 GHz wzmacniacze RF z dopasowaniem fazowym (z wbudowanymi trójnikami polaryzacji) są używane jako sterowniki modulatora. Napięcie polaryzacji GeSi EAM wynosi -2,5 V, a kabel RF z dopasowaniem fazowym jest używany w celu zminimalizowania niezgodności faz elektrycznych między kanałami I i Q.
Rysunek 2: (a) Eksperymentalna konfiguracja o dużej prędkości, (b) Tłumienie nośnej przy 70 Gbaud, (c) Współczynnik błędów i szybkość transmisji danych, (d) Konstelacja przy 70 Gbaud. Użyj komercyjnego lasera z zewnętrzną wnęką (ECL) o szerokości linii 100 kHz, długości fali 1555 nm i mocy 12 dBm jako nośnej optycznej. Po modulacji sygnał optyczny jest wzmacniany za pomocąwzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem(EDFA) w celu kompensacji strat sprzężenia na układzie scalonym i strat wstawiania modulatora.
Po stronie odbiorczej analizator widma optycznego (OSA) monitoruje widmo sygnału i tłumienie nośnej, jak pokazano na rysunku 2 (b) dla sygnału 70 Gbaud. Do odbioru sygnałów należy użyć odbiornika koherentnego o podwójnej polaryzacji, który składa się z 90-stopniowego miksera optycznego i czterechZbalansowane fotodiody 40 GHzi jest podłączony do 33 GHz, 80 GSa/s oscyloskopu czasu rzeczywistego (RTO) (Keysight DSOZ634A). Drugie źródło ECL o szerokości linii 100 kHz jest używane jako lokalny oscylator (LO). Ze względu na to, że nadajnik działa w warunkach pojedynczej polaryzacji, do konwersji analogowo-cyfrowej (ADC) używane są tylko dwa kanały elektroniczne. Dane są rejestrowane w RTO i przetwarzane przy użyciu offline'owego procesora sygnału cyfrowego (DSP).
Jak pokazano na Rysunku 2 (c), modulator IQ został przetestowany przy użyciu formatu modulacji QPSK od 40 Gbaud do 75 Gbaud. Wyniki wskazują, że przy 7% warunkach twardej korekcji błędów wyprzedzających decyzję (HD-FEC) szybkość może osiągnąć 140 Gb/s; przy 20% warunkach miękkiej korekcji błędów wyprzedzających decyzję (SD-FEC) szybkość może osiągnąć 150 Gb/s. Diagram konstelacji przy 70 Gbaud pokazano na Rysunku 2 (d). Wynik jest ograniczony przez szerokość pasma oscyloskopu 33 GHz, co odpowiada szerokości pasma sygnału około 66 Gbaud.
Jak pokazano na rysunku 2 (b), struktura trójramienna może skutecznie tłumić nośne optyczne ze współczynnikiem wygaszania przekraczającym 30 dB. Struktura ta nie wymaga całkowitego tłumienia nośnej i może być również stosowana w odbiornikach, które wymagają tonów nośnych do odzyskiwania sygnałów, takich jak odbiorniki Kramer Kronig (KK). Nośną można regulować za pomocą przesuwnika fazy ramienia centralnego, aby uzyskać pożądany stosunek nośnej do wstęgi bocznej (CSR).
Zalety i zastosowania
W porównaniu z tradycyjnymi modulatorami Mach Zehnder (Modulatory MZM) i innych krzemowych optoelektronicznych modulatorów IQ, proponowany krzemowy modulator IQ ma wiele zalet. Po pierwsze, jest kompaktowy, ponad 10 razy mniejszy niż modulatory IQ oparte naModulatory Mach Zehnder(z wyłączeniem padów łączących), zwiększając w ten sposób gęstość integracji i zmniejszając powierzchnię chipa. Po drugie, konstrukcja elektrody ułożonej w stos nie wymaga użycia rezystorów końcowych, zmniejszając w ten sposób pojemność urządzenia i energię na bit. Po trzecie, zdolność tłumienia nośników maksymalizuje redukcję mocy transmisji, co dodatkowo poprawia efektywność energetyczną.
Ponadto pasmo optyczne GeSi EAM jest bardzo szerokie (ponad 30 nanometrów), co eliminuje potrzebę stosowania wielokanałowych obwodów sterowania sprzężeniem zwrotnym i procesorów w celu stabilizacji i synchronizacji rezonansu modulatorów mikrofalowych (MRM), co upraszcza konstrukcję.
Ten kompaktowy i wydajny modulator IQ doskonale nadaje się do nowej generacji dużych kanałów i małych koherentnych transceiverów w centrach danych, umożliwiając większą przepustowość i większą energooszczędność komunikacji optycznej.
Modulator IQ z tłumionym nośnikiem krzemowym wykazuje doskonałą wydajność, z szybkością transmisji danych do 150 Gb/s w warunkach SD-FEC 20%. Jego kompaktowa 3-ramienna struktura oparta na GeSi EAM ma znaczące zalety pod względem zajmowanej powierzchni, efektywności energetycznej i prostoty konstrukcji. Ten modulator ma zdolność tłumienia lub dostosowywania nośnika optycznego i może być zintegrowany ze schematami wykrywania koherentnego i wykrywania Kramer Kronig (KK) dla wieloliniowych kompaktowych transceiverów koherentnych. Wykazane osiągnięcia napędzają realizację wysoce zintegrowanych i wydajnych transceiverów optycznych w celu zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na komunikację danych o dużej przepustowości w centrach danych i innych dziedzinach.
Czas publikacji: 21-01-2025