Optoelektronik berasaskan silikon padatModulator IQuntuk komunikasi koheren berkelajuan tinggi
Permintaan yang semakin meningkat untuk kadar penghantaran data yang lebih tinggi dan lebih banyak transceiver yang cekap tenaga di pusat data telah mendorong pembangunan prestasi tinggi padatmodulator optik. Teknologi optoelektronik berasaskan silikon (SIPH) telah menjadi platform yang menjanjikan untuk mengintegrasikan pelbagai komponen fotonik ke cip tunggal, membolehkan penyelesaian padat dan kos efektif. Artikel ini akan meneroka pembawa baru yang ditindas modulator silikon IQ berdasarkan GESI EAMS, yang boleh beroperasi pada kekerapan sehingga 75 Gbaud.
Reka bentuk dan ciri peranti
Modulator IQ yang dicadangkan mengamalkan struktur tiga lengan padat, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (a). Terdiri daripada tiga gesi eam dan tiga peralihan fasa optik thermo, mengamalkan konfigurasi simetri. Lampu input digabungkan ke dalam cip melalui coupler grating (GC) dan sama rata dibahagikan kepada tiga laluan melalui interferometer multimode 1 × 3 (MMI). Selepas melewati modulator dan fasa shifter, cahaya dikombinasikan oleh 1 × 3 MMI yang lain dan kemudian ditambah dengan serat satu mod (SSMF).
Rajah 1: (a) Imej mikroskopik modulator IQ; (b) - (d) EO S21, spektrum nisbah kepupusan, dan transmisi satu gesi eam tunggal; (e) gambarajah skematik modulator IQ dan fasa optik fasa shifter fasa; (f) Perwakilan penindasan pembawa pada satah kompleks. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (b), Gesi Eam mempunyai lebar jalur elektro-optik yang luas. Rajah 1 (b) mengukur parameter S21 struktur ujian GESI EAM tunggal menggunakan penganalisis komponen optik 67 GHz (LCA). Rajah 1 (c) dan 1 (d) masing -masing menggambarkan spektrum nisbah kepupusan statik (ER) pada voltan DC yang berlainan dan penghantaran pada panjang gelombang 1555 nanometer.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (e), ciri utama reka bentuk ini adalah keupayaan untuk menindas pembawa optik dengan menyesuaikan shifter fasa bersepadu di lengan tengah. Perbezaan fasa antara lengan atas dan bawah adalah π/2, digunakan untuk penalaan kompleks, manakala perbezaan fasa antara lengan tengah ialah -3 π/4. Konfigurasi ini membolehkan gangguan merosakkan kepada pembawa, seperti yang ditunjukkan dalam satah kompleks Rajah 1 (f).
Persediaan dan hasil eksperimen
Persediaan eksperimen berkelajuan tinggi ditunjukkan dalam Rajah 2 (a). Penjana gelombang yang sewenang -wenangnya (Keysight M8194A) digunakan sebagai sumber isyarat, dan dua fasa 60 GHz yang dipadankan dengan penguat RF (dengan tees bias bersepadu) digunakan sebagai pemandu modulator. Voltan bias GESI EAM ialah -2.5 V, dan kabel RF yang dipadankan fasa digunakan untuk meminimumkan ketidakcocokan fasa elektrik antara saluran I dan Q.
Rajah 2: (a) Persediaan eksperimen berkelajuan tinggi, (b) Penindasan pembawa pada 70 GBaud, (c) Kadar ralat dan kadar data, (d) konstelasi pada 70 Gbaud. Gunakan laser rongga luaran komersial (ECL) dengan linewidth 100 kHz, panjang gelombang 1555 nm, dan kuasa 12 dBm sebagai pembawa optik. Selepas modulasi, isyarat optik dikuatkan menggunakanpenguat serat erbium-doped(EDFA) untuk mengimbangi kerugian gandingan cip dan kerugian penyisipan modulator.
Pada akhir penerimaan, penganalisis spektrum optik (OSA) memantau spektrum isyarat dan penindasan pembawa, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b) untuk isyarat 70 Gbaud. Gunakan penerima koheren polarisasi dua untuk menerima isyarat, yang terdiri daripada pengadun optik 90 darjah dan empat40 GHz fotodiodes seimbang, dan disambungkan ke oscilloscope masa nyata 33 GHz, 80 GSA/s (RTO) (KeySight DSOZ634A). Sumber ECL kedua dengan linewidth 100 kHz digunakan sebagai pengayun tempatan (LO). Oleh kerana pemancar yang beroperasi di bawah keadaan polarisasi tunggal, hanya dua saluran elektronik yang digunakan untuk penukaran analog-ke-digital (ADC). Data dicatatkan pada RTO dan diproses menggunakan pemproses isyarat digital luar talian (DSP).
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (c), modulator IQ diuji menggunakan format modulasi QPSK dari 40 Gbaud hingga 75 Gbaud. Keputusan menunjukkan bahawa di bawah 7% keputusan pembetulan ralat ke hadapan (HD-FEC), kadar boleh mencapai 140 GB/s; Di bawah keadaan 20% keputusan Soft Forward Ralat Pembetulan (SD-FEC), kelajuan boleh mencapai 150 GB/s. Gambar rajah konstelasi pada 70 GBaud ditunjukkan dalam Rajah 2 (d). Hasilnya dibatasi oleh jalur lebar oscilloscope 33 GHz, yang bersamaan dengan jalur lebar isyarat kira -kira 66 Gbaud.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b), tiga struktur lengan dapat menindas pembawa optik dengan berkesan dengan kadar kosong melebihi 30 dB. Struktur ini tidak memerlukan penindasan lengkap pembawa dan juga boleh digunakan dalam penerima yang memerlukan nada pembawa untuk memulihkan isyarat, seperti penerima Kramer Kronig (KK). Pembawa boleh diselaraskan melalui shifter fasa lengan pusat untuk mencapai pembawa yang dikehendaki ke nisbah sideband (CSR).
Kelebihan dan aplikasi
Berbanding dengan modulator Mach Zehnder tradisional (Modulator MZM) dan modulator IQ optoelektronik berasaskan silikon yang lain, modulator IQ silikon yang dicadangkan mempunyai banyak kelebihan. Pertama, ia adalah saiz yang padat, lebih daripada 10 kali lebih kecil daripada modulator IQ berdasarkanModulator Mach Zehnder(tidak termasuk pad ikatan), dengan itu meningkatkan ketumpatan integrasi dan mengurangkan kawasan cip. Kedua, reka bentuk elektrod yang disusun tidak memerlukan penggunaan perintang terminal, dengan itu mengurangkan kapasitansi peranti dan tenaga setiap bit. Ketiga, keupayaan penindasan pembawa memaksimumkan pengurangan kuasa penghantaran, meningkatkan kecekapan tenaga.
Di samping itu, jalur lebar optik Gesi EAM sangat luas (lebih daripada 30 nanometer), menghapuskan keperluan untuk litar kawalan maklum balas pelbagai saluran dan pemproses untuk menstabilkan dan menyegerakkan resonans modulator gelombang mikro (MRM), dengan itu memudahkan reka bentuk.
Modulator IQ yang padat dan cekap ini sangat sesuai untuk generasi akan datang, kiraan saluran yang tinggi, dan transceiver koheren kecil di pusat data, membolehkan kapasiti yang lebih tinggi dan lebih banyak komunikasi optik tenaga.
Pembawa menindas modulator Silicon IQ mempamerkan prestasi yang sangat baik, dengan kadar penghantaran data sehingga 150 GB/s di bawah keadaan SD-FEC 20%. Struktur 3-lengan padat berdasarkan Gesi EAM mempunyai kelebihan yang ketara dari segi jejak, kecekapan tenaga, dan kesederhanaan reka bentuk. Modulator ini mempunyai keupayaan untuk menindas atau menyesuaikan pembawa optik dan boleh diintegrasikan dengan pengesanan yang koheren dan skim pengesanan Kramer Kronig (KK) untuk transceiver koheren kompak berbilang garis. Pencapaian yang ditunjukkan memacu kesedaran transceiver optik yang sangat bersepadu dan cekap untuk memenuhi permintaan yang semakin meningkat untuk komunikasi data berkapasiti tinggi di pusat data dan bidang lain.
Masa Post: Jan-21-2025