Untuk komunikasi koheren berkelajuan tinggi padat modulator IQ optoelektronik berasaskan silikon

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 mendorong pembangunan kompak berprestasi tinggi.modulator optik. Teknologi optoelektronik berasaskan silikon (SiPh) telah menjadi platform yang menjanjikan untuk menyepadukan pelbagai komponen fotonik ke dalam satu cip, membolehkan penyelesaian padat dan kos efektif. Artikel ini akan meneroka modulator IQ silikon tertindas pembawa novel berdasarkan GeSi EAM, yang boleh beroperasi pada frekuensi sehingga 75 Gbaud.
Reka bentuk dan ciri peranti
Modulator IQ yang dicadangkan menggunakan struktur tiga lengan padat, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (a). Terdiri daripada tiga GeSi EAM dan tiga pengalih fasa termo optik, menggunakan konfigurasi simetri. Lampu input digandingkan ke dalam cip melalui pengganding parut (GC) dan dibahagikan sama rata kepada tiga laluan melalui interferometer berbilang mod (MMI) 1×3. Selepas melalui modulator dan pengalih fasa, cahaya digabungkan semula oleh satu lagi 1×3 MMI dan kemudian digandingkan kepada gentian mod tunggal (SSMF).

Rajah 1: (a) Imej mikroskopik modulator IQ; (b) – (d) EO S21, spektrum nisbah kepupusan, dan ketransmisian satu GeSi EAM; (e) Gambar rajah skema modulator IQ dan fasa optik yang sepadan bagi peralihan 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 struktur ujian GeSi EAM tunggal 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 penghantaran pada panjang gelombang 1555 nanometer.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (e), ciri utama reka bentuk ini ialah keupayaan untuk menekan pembawa optik dengan melaraskan pengalih 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 membenarkan gangguan yang merosakkan kepada pembawa, seperti yang ditunjukkan dalam satah kompleks Rajah 1 (f).
Persediaan dan keputusan percubaan
Persediaan eksperimen berkelajuan tinggi ditunjukkan dalam Rajah 2 (a). Penjana bentuk gelombang arbitrari (Keysight M8194A) digunakan sebagai sumber isyarat, dan dua penguat RF dipadankan fasa 60 GHz (dengan tee pincang bersepadu) digunakan sebagai pemacu modulator. Voltan pincang GeSi EAM ialah -2.5 V, dan kabel RF dipadankan fasa digunakan untuk meminimumkan ketidakpadanan fasa elektrik antara saluran I dan Q.
Rajah 2: (a) Persediaan percubaan berkelajuan tinggi, (b) Penindasan pembawa pada 70 Gbaud, (c) Kadar ralat dan kadar data, (d) Buruj pada 70 Gbaud. Gunakan laser rongga luaran (ECL) komersial dengan lebar garis 100 kHz, panjang gelombang 1555 nm, dan kuasa 12 dBm sebagai pembawa optik. Selepas modulasi, isyarat optik dikuatkan menggunakan apenguat gentian dop erbium(EDFA) untuk mengimbangi kerugian gandingan pada cip dan kerugian sisipan modulator.
Pada 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 polarisasi dwi untuk menerima isyarat, yang terdiri daripada pengadun optik 90 darjah dan empat40 GHz fotodiod seimbang, dan disambungkan kepada osiloskop masa nyata (RTO) 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Sumber ECL kedua dengan lebar talian 100 kHz digunakan sebagai pengayun tempatan (LO). Disebabkan oleh pemancar yang beroperasi di bawah keadaan polarisasi tunggal, hanya dua saluran elektronik 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 daripada 40 Gbaud kepada 75 Gbaud. Keputusan menunjukkan bahawa di bawah 7% keadaan pembetulan ralat ke hadapan keputusan keras (HD-FEC), kadar boleh mencapai 140 Gb/s; Di bawah syarat 20% pembetulan ralat ke hadapan keputusan lembut (SD-FEC), kelajuan boleh mencapai 150 Gb/s. Rajah buruj pada 70 Gbaud ditunjukkan dalam Rajah 2 (d). Hasilnya dihadkan oleh lebar jalur osiloskop 33 GHz, yang bersamaan dengan lebar jalur isyarat kira-kira 66 Gbaud.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b), struktur tiga lengan dengan berkesan boleh menekan pembawa optik dengan kadar pengosongan 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 dilaraskan melalui pengalih fasa lengan tengah untuk mencapai nisbah pembawa kepada jalur sisi (CSR) yang dikehendaki.
Kelebihan dan Aplikasi
Berbanding dengan modulator Mach Zehnder tradisional (modulator MZM) dan modulator IQ optoelektronik berasaskan silikon lain, modulator IQ silikon yang dicadangkan mempunyai pelbagai kelebihan. Pertama, ia bersaiz padat, lebih daripada 10 kali lebih kecil daripada modulator IQ berdasarkanModulator Mach Zehnder(tidak termasuk pad ikatan), dengan itu meningkatkan ketumpatan penyepaduan dan mengurangkan kawasan cip. Kedua, reka bentuk elektrod bertindan tidak memerlukan penggunaan perintang terminal, dengan itu mengurangkan kapasiti peranti dan tenaga setiap bit. Ketiga, keupayaan penindasan pembawa memaksimumkan pengurangan kuasa penghantaran, meningkatkan lagi 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), dengan itu memudahkan reka bentuk.
Modulator IQ yang padat dan cekap ini sangat sesuai untuk generasi akan datang, kiraan saluran tinggi dan transceiver koheren kecil di pusat data, membolehkan kapasiti yang lebih tinggi dan komunikasi optik yang lebih cekap tenaga.
Modulator IQ silikon yang ditekan pembawa mempamerkan prestasi cemerlang, dengan kadar penghantaran data sehingga 150 Gb/s di bawah 20% keadaan SD-FEC. Struktur 3 lengannya yang padat berdasarkan GeSi EAM mempunyai kelebihan ketara dari segi jejak, kecekapan tenaga dan kesederhanaan reka bentuk. Modulator ini mempunyai keupayaan untuk menindas atau melaraskan pembawa optik dan boleh disepadukan dengan pengesanan koheren dan skim pengesanan Kramer Kronig (KK) untuk transceiver koheren padat berbilang talian. Pencapaian yang ditunjukkan memacu realisasi transceiver optik yang sangat bersepadu dan cekap untuk memenuhi permintaan yang semakin meningkat untuk komunikasi data berkapasiti tinggi di pusat data dan bidang lain.