Kompaktowa optoelektronika na bazie krzemuModulator IQdo szybkiej spójnej komunikacji
Rosnące zapotrzebowanie na wyższe prędkości transmisji danych i bardziej energooszczędne transceivery w centrach danych doprowadziło do rozwoju kompaktowych, wydajnych urządzeńmodulatory optyczneTechnologia optoelektroniczna oparta na krzemie (SiPh) stała się obiecującą platformą do integracji różnych komponentów fotonicznych na jednym chipie, umożliwiając kompaktowe i ekonomiczne rozwiązania. W niniejszym artykule przyjrzymy się nowatorskiemu krzemowemu modulatorowi IQ z tłumieniem nośnej, opartemu na układach GeSi EAM, który może pracować z częstotliwością do 75 Gb/s.
Konstrukcja i charakterystyka urządzenia
Proponowany modulator IQ wykorzystuje kompaktową, trójramienną strukturę, jak pokazano na rysunku 1 (a). Składa się on z trzech modułów GeSi EAM i trzech termooptycznych przesuwników fazy, o symetrycznej konfiguracji. Światło wejściowe jest sprzężone z chipem za pomocą sprzęgacza siatkowego (GC) i równomiernie podzielone na trzy ścieżki przez interferometr wielomodowy (MMI) 1×3. Po przejściu przez modulator i przesuwnik fazy, światło jest rekombinowane przez kolejny MMI 1×3, a następnie sprzężone z światłowodem jednomodowym (SSMF).
Rysunek 1: (a) Obraz mikroskopowy 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 statycznego współczynnika ekstynkcji (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 ramieniu środkowym. Różnica faz między ramieniem górnym a dolnym wynosi π/2, co jest wykorzystywane do strojenia zespolonego, natomiast różnica faz między ramieniem środkowym wynosi -3 π/4. Taka konfiguracja pozwala na destruktywną interferencję z nośną, jak pokazano na płaszczyźnie zespolonej na rysunku 1 (f).
Konfiguracja eksperymentu i wyniki
Szybki układ eksperymentalny przedstawiono na rysunku 2 (a). Generator przebiegów arbitralnych (Keysight M8194A) jest używany jako źródło sygnału, a dwa 60-gigahercowe wzmacniacze RF z dopasowaniem fazowym (ze zintegrowanymi trójnikami polaryzacji) pełnią funkcję sterowników modulacyjnych. Napięcie polaryzacji GeSi EAM wynosi -2,5 V, a w celu zminimalizowania niedopasowania fazowego między kanałami I i Q zastosowano kabel RF z dopasowaniem fazowym.
Rysunek 2: (a) Konfiguracja eksperymentalna o dużej prędkości, (b) Tłumienie nośnej przy 70 Gbaud, (c) Współczynnik błędów i szybkość transmisji danych, (d) Konstelacja przy 70 Gbaud. Jako nośnej optycznej należy użyć komercyjnego lasera z zewnętrzną wnęką rezonansową (ECL) o szerokości linii 100 kHz, długości fali 1555 nm i mocy 12 dBm. 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 o szybkości 70 Gb/s. 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 oscyloskopu czasu rzeczywistego (RTO) o częstotliwości 33 GHz i przepływności 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Drugie źródło ECL o szerokości linii 100 kHz służy jako oscylator lokalny (LO). Ze względu na pracę nadajnika w warunkach pojedynczej polaryzacji, do konwersji analogowo-cyfrowej (ADC) wykorzystywane są tylko dwa kanały elektroniczne. Dane są rejestrowane w RTO i przetwarzane przez cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) pracujący w trybie offline.
Jak pokazano na rysunku 2 (c), modulator IQ został przetestowany z wykorzystaniem formatu modulacji QPSK o przepływności od 40 Gbaud do 75 Gbaud. Wyniki wskazują, że przy 7% korekcji błędów wyprzedzających (HD-FEC) szybkość transmisji może osiągnąć 140 Gb/s; przy 20% korekcji błędów wyprzedzających (SD-FEC) szybkość transmisji może osiągnąć 150 Gb/s. Diagram konstelacji dla przepływności 70 Gbaud przedstawiono na rysunku 2 (d). Wynik jest ograniczony szerokością pasma oscyloskopu wynoszącą 33 GHz, co odpowiada szerokości pasma sygnału wynoszącej około 66 Gbaud.
Jak pokazano na rysunku 2 (b), trójramienna struktura może skutecznie tłumić nośne optyczne o współczynniku wygaszania przekraczającym 30 dB. Struktura ta nie wymaga całkowitego tłumienia nośnej i może być również stosowana w odbiornikach, które wymagają tonów nośnych do odzyskania sygnałów, takich jak odbiorniki Kramer Kronig (KK). Nośną można regulować za pomocą przesuwnika fazy z centralnym ramieniem, aby uzyskać pożądany stosunek nośnej do wstęgi bocznej (CSR).
Zalety i zastosowania
W porównaniu z tradycyjnymi modulatorami Mach Zehnder (Modulatory MZM) i innych optoelektronicznych modulatorów IQ na bazie krzemu, proponowany krzemowy modulator IQ ma wiele zalet. Po pierwsze, jest kompaktowy, ponad 10 razy mniejszy niż modulatory IQ oparte naModulatory Mach Zehnder(z wyłączeniem pól połączeniowych), zwiększając w ten sposób gęstość integracji i zmniejszając powierzchnię chipa. Po drugie, konstrukcja elektrod ułożonych warstwowo nie wymaga stosowania rezystorów terminalnych, co zmniejsza pojemność i energię na bit układu. Po trzecie, funkcja tłumienia nośnych 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 do stabilizacji i synchronizacji rezonansu modulatorów mikrofalowych (MRM), a tym samym upraszcza konstrukcję.
Ten kompaktowy i wydajny modulator IQ doskonale nadaje się do nowej generacji transceiverów o dużej liczbie kanałów i małych spójnych transceiverów w centrach danych, umożliwiając większą przepustowość i większą energooszczędność komunikacji optycznej.
Silikonowy modulator IQ z tłumieniem nośnej charakteryzuje się doskonałą wydajnością, osiągając prędkość transmisji danych do 150 Gb/s w warunkach 20% SD-FEC. Jego kompaktowa, 3-ramienna konstrukcja oparta na technologii GeSi EAM oferuje znaczące korzyści pod względem zajmowanej powierzchni, energooszczędności i prostoty konstrukcji. Modulator ten umożliwia tłumienie lub regulację nośnej optycznej i może być zintegrowany ze schematami detekcji koherentnej i detekcji Kramer Kronig (KK) dla wieloliniowych kompaktowych transceiverów koherentnych. Wykazane osiągnięcia napędzają rozwój wysoce zintegrowanych i wydajnych transceiverów optycznych, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na komunikację danych o dużej przepustowości w centrach danych i innych obszarach.
Czas publikacji: 21-01-2025