Untuk komunikasi koheren berkelajuan tinggi, modulator IQ optoelektronik berasaskan silikon padat

Optoelektronik berasaskan silikon padatModulator IQuntuk komunikasi koheren berkelajuan tinggi
Permintaan yang semakin meningkat untuk kadar penghantaran data yang lebih tinggi dan transceiver yang lebih cekap tenaga di pusat data telah memacu pembangunan rangkaian berprestasi tinggi yang padat.modulator optikTeknologi optoelektronik berasaskan silikon (SiPh) telah menjadi platform yang menjanjikan untuk mengintegrasikan pelbagai komponen fotonik ke dalam satu cip, membolehkan penyelesaian yang padat dan kos efektif. Artikel ini akan meneroka modulator IQ silikon tertindas pembawa baharu berdasarkan GeSi EAM, yang boleh beroperasi pada frekuensi sehingga 75 Gbaud.
Reka bentuk dan ciri-ciri peranti
Modulator IQ yang dicadangkan menggunakan struktur tiga lengan yang padat, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (a). Terdiri daripada tiga GeSi EAM dan tiga penganjak fasa termo optik, yang menggunakan konfigurasi simetri. Cahaya input digandingkan ke dalam cip melalui pengganding parut (GC) dan dibahagikan sama rata kepada tiga laluan melalui interferometer berbilang mod 1×3 (MMI). Selepas melalui modulator dan penganjak fasa, cahaya digabungkan semula oleh 1×3 MMI yang lain dan kemudian digandingkan kepada gentian mod tunggal (SSMF).

Rajah 1: (a) Imej mikroskopik modulator IQ; (b) – (d) EO S21, spektrum nisbah kepupusan, dan transmisi bagi satu GeSi EAM; (e) Gambarajah skematik modulator IQ dan fasa optik yang sepadan bagi penganjak 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 bagi satu struktur ujian GeSi EAM menggunakan penganalisis komponen optik (LCA) 67 GHz. Rajah 1 (c) dan 1 (d) masing-masing menggambarkan spektrum nisbah kepupusan statik (ER) pada voltan DC yang berbeza dan transmisi pada panjang gelombang 1555 nanometer.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (e), ciri utama reka bentuk ini ialah keupayaan untuk menyekat pembawa optik dengan melaraskan penganjak fasa bersepadu di lengan tengah. Perbezaan fasa antara lengan atas dan bawah ialah π/2, digunakan untuk penalaan kompleks, manakala perbezaan fasa antara lengan tengah ialah -3 π/4. Konfigurasi ini membolehkan gangguan pemusnah pada pembawa, seperti yang ditunjukkan dalam satah kompleks Rajah 1 (f).
Persediaan dan keputusan eksperimen
Persediaan eksperimen berkelajuan tinggi ditunjukkan dalam Rajah 2 (a). Penjana bentuk gelombang sewenang-wenangnya (Keysight M8194A) digunakan sebagai sumber isyarat, dan dua penguat RF padanan fasa 60 GHz (dengan tee bias bersepadu) digunakan sebagai pemacu modulator. Voltan bias GeSi EAM ialah -2.5 V, dan kabel RF padanan fasa digunakan untuk meminimumkan ketidakpadanan fasa elektrik antara saluran I dan Q.
Rajah 2: (a) Persediaan eksperimen berkelajuan tinggi, (b) Penekanan pembawa pada 70 Gbaud, (c) Kadar ralat dan kadar data, (d) Buruj pada 70 Gbaud. Gunakan laser rongga luaran komersial (ECL) dengan lebar garis 100 kHz, panjang gelombang 1555 nm, dan kuasa 12 dBm sebagai pembawa optik. Selepas modulasi, isyarat optik dikuatkan menggunakanpenguat gentian yang didop erbium(EDFA) untuk mengimbangi kerugian gandingan atas cip dan kerugian sisipan modulator.
Di bahagian penerima, Penganalisis Spektrum Optik (OSA) memantau spektrum isyarat dan penindasan pembawa, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b) untuk isyarat 70 Gbaud. Gunakan penerima koheren pengutuban berganda untuk menerima isyarat, yang terdiri daripada pengadun optik 90 darjah dan empatFotodiod seimbang 40 GHz, dan disambungkan kepada osiloskop masa nyata (RTO) 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Sumber ECL kedua dengan lebar garis 100 kHz digunakan sebagai pengayun setempat (LO). Disebabkan pemancar beroperasi di bawah keadaan pengkutuban tunggal, hanya dua saluran elektronik yang digunakan untuk penukaran analog-ke-digital (ADC). Data direkodkan pada RTO dan diproses menggunakan pemproses isyarat digital luar talian (DSP).
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (c), modulator IQ telah diuji menggunakan format modulasi QPSK dari 40 Gbaud hingga 75 Gbaud. Keputusan menunjukkan bahawa di bawah keadaan pembetulan ralat ke hadapan keputusan keras (HD-FEC) sebanyak 7%, kadarnya boleh mencapai 140 Gb/s; Di bawah keadaan pembetulan ralat ke hadapan keputusan lembut (SD-FEC) sebanyak 20%, kelajuannya boleh mencapai 150 Gb/s. Gambar rajah buruj pada 70 Gbaud ditunjukkan dalam Rajah 2 (d). Keputusan ini dihadkan oleh lebar jalur osiloskop sebanyak 33 GHz, yang bersamaan dengan lebar jalur isyarat kira-kira 66 Gbaud.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b), struktur tiga lengan boleh menyekat pembawa optik dengan berkesan dengan kadar pengosongan melebihi 30 dB. Struktur ini tidak memerlukan penekanan sepenuhnya pembawa dan juga boleh digunakan dalam penerima yang memerlukan nada pembawa untuk mendapatkan semula isyarat, seperti penerima Kramer Kronig (KK). Pembawa boleh dilaraskan melalui penganjak fasa lengan pusat untuk mencapai nisbah pembawa kepada jalur sisi (CSR) yang diingini.
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 pelbagai kelebihan. Pertama, saiznya padat, lebih daripada 10 kali lebih kecil daripada modulator IQ berdasarkanModulator Mach Zehnder(tidak termasuk pad ikatan), sekali gus meningkatkan ketumpatan integrasi dan mengurangkan luas cip. Kedua, reka bentuk elektrod bertindan tidak memerlukan penggunaan perintang terminal, sekali gus mengurangkan kapasitans peranti dan tenaga setiap bit. Ketiga, keupayaan penindasan pembawa memaksimumkan pengurangan kuasa penghantaran, seterusnya meningkatkan kecekapan tenaga.
Di samping itu, lebar jalur optik GeSi EAM adalah sangat luas (lebih 30 nanometer), menghapuskan keperluan untuk litar kawalan maklum balas berbilang saluran dan pemproses untuk menstabilkan dan menyegerakkan resonans modulator gelombang mikro (MRM), sekali gus 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 komunikasi optik yang lebih cekap tenaga.
Modulator IQ silikon tertindas pembawa mempamerkan prestasi yang sangat baik, dengan kadar penghantaran data sehingga 150 Gb/s di bawah keadaan SD-FEC 20%. Struktur 3-lengan padatnya berdasarkan GeSi EAM mempunyai kelebihan yang ketara dari segi jejak, kecekapan tenaga dan kesederhanaan reka bentuk. Modulator ini mempunyai keupayaan untuk menyekat atau melaraskan pembawa optik dan boleh disepadukan dengan pengesanan koheren dan skema pengesanan Kramer Kronig (KK) untuk transceiver koheren padat berbilang talian. Pencapaian yang ditunjukkan memacu realisasi transceiver optik yang sangat bersepadu dan cekap bagi memenuhi permintaan yang semakin meningkat untuk komunikasi data berkapasiti tinggi dalam pusat data dan bidang lain.