Kompakt szilícium alapú optoelektronikaiIQ modulátornagy sebességű, koherens kommunikációhoz
Az adatközpontokban a nagyobb adatátviteli sebesség és az energiahatékonyabb adó-vevők iránti növekvő igény a kompakt, nagy teljesítményű eszközök fejlesztését ösztönözte.optikai modulátorokA szilícium alapú optoelektronikai technológia (SiPh) ígéretes platformmá vált különféle fotonikus komponensek egyetlen chipre integrálására, lehetővé téve a kompakt és költséghatékony megoldásokat. Ez a cikk egy új, vivőelnyomásos szilícium IQ modulátort vizsgál meg, amely GeSi EAM-eken alapul, és akár 75 Gbaud frekvencián is működhet.
Eszköz kialakítása és jellemzői
A javasolt IQ modulátor egy kompakt, háromkarú szerkezetet alkalmaz, ahogy az az 1. ábra (a) részén látható. Három GeSi EAM-ből és három termooptikai fázistolóból áll, szimmetrikus konfigurációt alkalmazva. A bemeneti fényt egy rácsos csatolón (GC) keresztül a chipbe csatlakoztatják, és egy 1×3 többmódusú interferométeren (MMI) keresztül egyenletesen három útvonalra osztják. Miután áthaladt a modulátoron és a fázistolón, a fényt egy másik 1×3 MMI rekombinálja, majd egy egymódusú szálra (SSMF) csatlakoztatja.
1. ábra: (a) Az IQ modulátor mikroszkópos képe; (b) – (d) egyetlen GeSi EAM EO S21, kioltási arány spektruma és transzmittanciája; (e) Az IQ modulátor és a fázistoló megfelelő optikai fázisának vázlatos rajza; (f) Vivőelnyomás ábrázolása a komplex síkon. Amint az 1. ábra (b) részén látható, a GeSi EAM széles elektrooptikai sávszélességgel rendelkezik. Az 1. ábra (b) egyetlen GeSi EAM tesztstruktúra S21 paraméterét mérte egy 67 GHz-es optikai komponens analizátor (LCA) segítségével. Az 1. ábra (c) és 1. ábra (d) a statikus kioltási arány (ER) spektrumokat mutatja különböző egyenfeszültségeknél, illetve az 1555 nanométer hullámhosszon mért transzmittanciát.
Amint az az 1. (e) ábrán látható, ennek a kialakításnak a fő jellemzője az optikai vivők elnyomásának képessége a középső karba integrált fázistoló beállításával. A felső és az alsó kar közötti fáziskülönbség π/2, amelyet komplex hangoláshoz használnak, míg a középső kar közötti fáziskülönbség -3 π/4. Ez a konfiguráció lehetővé teszi a vivő destruktív interferenciáját, amint az az 1. (f) ábra komplex síkján látható.
Kísérleti beállítás és eredmények
A nagysebességű kísérleti összeállítás a 2. ábra (a) részén látható. Jelforrásként egy tetszőleges hullámforma-generátort (Keysight M8194A) használnak, modulátor meghajtóként pedig két 60 GHz-es fázisillesztéses RF erősítőt (integrált előfeszítő T-kkel). A GeSi EAM előfeszítő feszültsége -2,5 V, és egy fázisillesztéses RF kábelt használnak az I és Q csatornák közötti elektromos fáziseltérés minimalizálására.
2. ábra: (a) Nagysebességű kísérleti beállítás, (b) Vivőelnyomás 70 Gbaud-on, (c) Hibaarány és adatsebesség, (d) Konstelláció 70 Gbaud-on. Optikai vivőként kereskedelmi forgalomban kapható, 100 kHz vonalszélességű, 1555 nm hullámhosszú és 12 dBm teljesítményű külső üreglézert (ECL) használunk. A moduláció után az optikai jelet egy…erbiummal adalékolt szálerősítő(EDFA) a chipen belüli csatolási veszteségek és a modulátor beillesztési veszteségeinek kompenzálására.
A vételi oldalon egy optikai spektrumanalizátor (OSA) figyeli a jel spektrumát és a vivőelnyomást, ahogy az a 2. ábra (b) részén látható egy 70 Gbaud-os jel esetében. A jelek vételéhez kettős polarizációjú koherens vevőt kell használni, amely egy 90 fokos optikai keverőből és négyből áll.40 GHz-es kiegyensúlyozott fotodiódák, és egy 33 GHz-es, 80 GSa/s valós idejű oszcilloszkóphoz (RTO) (Keysight DSOZ634A) csatlakozik. A második, 100 kHz vonalszélességű ECL forrást helyi oszcillátorként (LO) használják. Mivel az adó egyetlen polarizációs körülmények között működik, az analóg-digitális átalakításhoz (ADC) csak két elektronikus csatornát használnak. Az adatokat RTO-n rögzítik és egy offline digitális jelfeldolgozó (DSP) dolgozza fel.
Amint a 2.(c) ábrán látható, az IQ modulátort QPSK modulációs formátummal tesztelték 40 Gbaud-tól 75 Gbaud-ig. Az eredmények azt mutatják, hogy 7%-os kemény előretolt hibakorrekció (HD-FEC) mellett a sebesség elérheti a 140 Gb/s-ot; 20%-os lágy előretolt hibakorrekció (SD-FEC) mellett a sebesség elérheti a 150 Gb/s-ot. A 70 Gbaud-os konstellációs diagram a 2.(d) ábrán látható. Az eredményt az oszcilloszkóp 33 GHz-es sávszélessége korlátozza, ami körülbelül 66 Gbaud-os jel sávszélességnek felel meg.
Amint a 2(b) ábrán látható, a háromkarú szerkezet hatékonyan képes elnyomni a 30 dB-t meghaladó kioltási sebességű optikai vivőket. Ez a szerkezet nem igényli a vivő teljes elnyomását, és olyan vevőkben is használható, amelyek vivőhangokat igényelnek a jelek visszanyeréséhez, például a Kramer Kronig (KK) vevőkben. A vivő egy központi karú fázistolóval állítható be a kívánt vivő-oldalsáv arány (CSR) eléréséhez.
Előnyök és alkalmazások
A hagyományos Mach-Zehnder modulátorokkal összehasonlítva (MZM modulátorok) és más szilícium alapú optoelektronikai IQ modulátorok esetében a javasolt szilícium IQ modulátor számos előnnyel rendelkezik. Először is, kompakt méretű, több mint tízszer kisebb, mint a ... alapú IQ modulátorok.Mach-Zehnder modulátorok(kivéve a kötési pontokat), ezáltal növelve az integrációs sűrűséget és csökkentve a chip területét. Másodszor, a rétegzett elektróda kialakítás nem igényli a terminálellenállások használatát, ezáltal csökkentve az eszköz kapacitását és a bitenkénti energiát. 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 visszacsatolás-vezérlő áramkörökre és processzorokra a mikrohullámú modulátorok (MRM) rezonanciájának stabilizálásához és szinkronizálásához, ezáltal leegyszerűsítve a tervezést.
Ez a kompakt és hatékony IQ modulátor kiválóan alkalmas a következő generációs, nagy csatornaszámú és kis koherens adó-vevőkhöz adatközpontokban, lehetővé téve a nagyobb kapacitású és energiahatékonyabb optikai kommunikációt.
A vivőelnyomásos szilícium IQ modulátor kiváló teljesítményt nyújt, akár 150 Gb/s adatátviteli sebességgel 20%-os SD-FEC körülmények között. Kompakt, 3 karú, GeSi EAM-en alapuló szerkezete jelentős előnyökkel rendelkezik a helyigény, az energiahatékonyság és a tervezési egyszerűség tekintetében. Ez a modulátor képes az optikai vivő elnyomására vagy beállítására, és integrálható koherens detektálási és Kramer Kronig (KK) detektálási sémákkal többvonalas kompakt koherens adó-vevőkhöz. A bemutatott eredmények előmozdítják a nagymértékben integrált és hatékony optikai adó-vevők megvalósítását, hogy kielégítsék a nagy kapacitású adatkommunikáció iránti növekvő igényt az adatközpontokban és más területeken.
Közzététel ideje: 2025. január 21.