A nagy sebességű koherens kommunikációhoz kompakt szilícium alapú optoelektronikus IQ modulátor

Kompakt szilícium alapú optoelektronikaIQ modulátora nagy sebességű koherens kommunikációhoz
Az adatközpontokban a nagyobb adatátviteli sebesség és az energiahatékonyabb adó-vevők iránti növekvő igény ösztönözte a kompakt, nagy teljesítményű készülékek kifejlesztését.optikai modulátorok. A szilícium alapú optoelektronikai technológia (SiPh) ígéretes platformmá vált a különböző fotonikus komponensek egyetlen chipbe történő integrálására, ami kompakt és költséghatékony megoldásokat tesz lehetővé. Ez a cikk egy új, GeSi EAM-en alapuló, vivőelnyomott szilícium IQ modulátort vizsgál meg, amely akár 75 Gbaud frekvencián is működhet.
A készülék kialakítása és jellemzői
A javasolt IQ-modulátor kompakt háromkarú szerkezetet alkalmaz, amint az 1(a) ábrán látható. Három GeSi EAM-ből és három termooptikai fázisváltóból áll, szimmetrikus konfigurációval. A bemeneti fény egy rácscsatolón (GC) keresztül kapcsolódik a chiphez, és egy 1 × 3-as multimódusú interferométeren (MMI) keresztül egyenletesen három útra osztja. A modulátoron és a fázisváltón való áthaladás után a fényt egy másik 1×3 MMI-vel rekombináljuk, majd egymódusú szálhoz (SSMF) kapcsoljuk.

1. ábra: (a) Az IQ modulátor mikroszkópos képe; (b) – (d) EO S21, kioltási arány spektruma és egyetlen GeSi EAM transzmittanciája; (e) Az IQ modulátor és a fázisváltó megfelelő optikai fázisának sematikus diagramja; (f) A vivőelnyomás ábrázolása a komplex síkon. Amint az 1(b) ábrán látható, a GeSi EAM széles elektrooptikai sávszélességgel rendelkezik. Az 1(b) ábra egyetlen GeSi EAM tesztstruktúra S21 paraméterét mérte egy 67 GHz-es optikai komponens analizátor (LCA) segítségével. Az 1(c) és 1(d) ábrák a statikus kioltási arány (ER) spektrumát mutatják be különböző egyenfeszültségeknél és az átvitelt 1555 nanométeres hullámhosszon.
Amint az 1(e) ábrán látható, ennek a kialakításnak a fő jellemzője az optikai vivők elnyomása a középső karban lévő integrált fázisváltó beállításával. A felső és az alsó kar fáziskülönbsége π/2, a komplex hangoláshoz használt, míg a középső kar fáziskülönbsége -3 π/4. Ez a konfiguráció lehetővé teszi a vivő destruktív interferenciáját, amint azt az 1. ábra (f) komplex síkja mutatja.
Kísérleti beállítások és eredmények
A nagy sebességű kísérleti elrendezést a 2(a) ábra mutatja. Egy tetszőleges hullámforma generátor (Keysight M8194A) szolgál jelforrásként, és két 60 GHz-es fázisillesztett RF erősítő (beépített előfeszítő pólókkal) modulátor meghajtóként. A GeSi EAM előfeszítési feszültsége -2,5 V, és fázisillesztett RF kábelt használnak az I és Q csatornák közötti elektromos fáziseltérés minimalizálására.
2. ábra: (a) Nagy sebességű kísérleti beállítás, (b) vivőelnyomás 70 Gbaud-nál, (c) hibaarány és adatátviteli sebesség, (d) konstelláció 70 Gbaud-nál. Használjon kereskedelmi forgalomban kapható külső üreges lézert (ECL), amelynek vonalszélessége 100 kHz, hullámhossza 1555 nm és teljesítménye 12 dBm optikai hordozóként. Moduláció után az optikai jelet egyerbiummal adalékolt szálas erősítő(EDFA) a chipen belüli csatolási veszteségek és a modulátor beillesztési veszteségek kompenzálására.
A vevő oldalon egy optikai spektrumanalizátor (OSA) figyeli a jel spektrumát és a vivőelnyomást, amint az a 2(b) ábrán látható 70 Gbaud jel esetén. A jelek fogadásához használjon kettős polarizációs koherens vevőt, amely egy 90 fokos optikai keverőből és négy40 GHz-es kiegyensúlyozott fotodiódák, és egy 33 GHz-es, 80 GSa/s-os valós idejű oszcilloszkóphoz (RTO) csatlakozik (Keysight DSOZ634A). A második, 100 kHz-es vonalszélességű ECL-forrást helyi oszcillátorként (LO) használják. Mivel az adó egyszeres polarizációs körülmények között működik, csak két elektronikus csatornát használnak az analóg-digitális átalakításhoz (ADC). Az adatokat az RTO-n rögzítik, és egy offline digitális jelfeldolgozó (DSP) segítségével dolgozzák fel.
A 2. (c) ábrán látható módon az IQ modulátort QPSK modulációs formátum használatával tesztelték 40 Gbaud és 75 Gbaud között. Az eredmények azt mutatják, hogy 7%-os kemény döntési továbbítási hibajavítás (HD-FEC) körülmények között a sebesség elérheti a 140 Gb/s-ot; A 20%-os lágy döntési továbbítási hibajavítás (SD-FEC) feltétele mellett a sebesség elérheti a 150 Gb/s-ot. A 70 Gbaud sebességű konstellációs diagram a 2. (d) ábrán látható. Az eredményt az oszcilloszkóp 33 GHz-es sávszélessége korlátozza, ami körülbelül 66 Gbaud jelsávszélességnek felel meg.

Amint a 2(b) ábrán látható, a háromkaros szerkezet hatékonyan elnyomja a 30 dB-t meghaladó kioltási arányú optikai vivőket. Ez a struktúra nem igényli a vivő teljes elnyomását, és olyan vevőkben is használható, amelyek vivőhangokat igényelnek a jelek visszanyeréséhez, mint például a Kramer Kronig (KK) vevőkben. A hordozó központi kar fázisváltóval állítható a kívánt vivő-oldalsáv arány (CSR) eléréséhez.
Előnyök és alkalmazások
A hagyományos Mach Zehnder modulátorokhoz képest (MZM modulátorok) és más szilícium alapú optoelektronikus IQ modulátorok, a javasolt szilícium IQ modulátor számos előnnyel rendelkezik. Először is, kompakt méretű, több mint 10-szer kisebb, mint az IQ modulátorokMach Zehnder modulátorok(kivéve a ragasztóbetéteket), ezáltal növelve az integrációs sűrűséget és csökkentve a forgácsterületet. Másodszor, a halmozott elektróda kialakítása nem igényli terminálellenállások használatát, ezáltal csökkentve az eszköz kapacitását és bitenkénti energiáját. Harmadszor, a vivőelnyomási képesség maximalizálja az átviteli teljesítmény csökkentését, tovább javítva az energiahatékonyságot.
Ezenkívül a GeSi EAM optikai sávszélessége nagyon széles (több mint 30 nanométer), így nincs szükség többcsatornás visszacsatoló vezérlőáramkörökre és processzorokra a mikrohullámú modulátorok (MRM-ek) rezonanciájának stabilizálására és szinkronizálására, ezáltal leegyszerűsítve a tervezést.
Ez a kompakt és hatékony IQ modulátor kiválóan alkalmas a következő generációs, nagy csatornaszámú és kisméretű koherens adó-vevők számára adatközpontokban, nagyobb kapacitást és energiahatékonyabb optikai kommunikációt tesz lehetővé.
A vivő-elnyomott szilícium IQ modulátor kiváló teljesítményt mutat, akár 150 Gb/s adatátviteli sebességgel 20%-os SD-FEC körülmények között. Kompakt, GeSi EAM alapú 3 karos szerkezete jelentős előnyökkel rendelkezik a helyigény, az energiahatékonyság és a tervezés egyszerűsége tekintetében. Ez a modulátor képes elnyomni vagy beállítani az optikai vivőt, és integrálható koherens érzékelési és Kramer Kronig (KK) észlelési sémákkal többsoros kompakt koherens adó-vevőkhöz. A bemutatott eredmények nagymértékben integrált és hatékony optikai adó-vevők megvalósítását ösztönzik, hogy megfeleljenek a nagy kapacitású adatkommunikáció iránti növekvő igénynek az adatközpontokban és más területeken.