Kompaktná optoelektronika na báze kremíkaModulátor IQpre vysokorýchlostnú koherentnú komunikáciu
Rastúci dopyt po vyšších rýchlostiach prenosu dát a energeticky úspornejších vysielačoch a prijímačoch v dátových centrách viedol k vývoju kompaktných vysokovýkonných...optické modulátoryKremíková optoelektronická technológia (SiPh) sa stala sľubnou platformou pre integráciu rôznych fotonických komponentov na jednom čipe, čo umožňuje kompaktné a nákladovo efektívne riešenia. Tento článok skúma nový kremíkový IQ modulátor s potlačením nosičov na báze GeSi EAM, ktorý môže pracovať na frekvencii až 75 Gbaud.
Dizajn a vlastnosti zariadenia
Navrhovaný IQ modulátor využíva kompaktnú trojramennú štruktúru, ako je znázornené na obrázku 1 (a). Skladá sa z troch GeSi EAM a troch termooptických fázových posúvačov, pričom má symetrickú konfiguráciu. Vstupné svetlo je privádzané do čipu cez mriežkový väzobný člen (GC) a rovnomerne rozdelené do troch dráh cez 1×3 multimódový interferometer (MMI). Po prechode modulátorom a fázovým posúvačom je svetlo rekombinované ďalším 1×3 MMI a potom pripojené k jednomódovému vláknu (SSMF).
Obrázok 1: (a) Mikroskopický obraz IQ modulátora; (b) – (d) EO S21, spektrum extinkčného pomeru a transmitancia jedného GeSi EAM; (e) Schematický diagram IQ modulátora a zodpovedajúcej optickej fázy fázového posúvača; (f) Znázornenie potlačenia nosičov na komplexnej rovine. Ako je znázornené na obrázku 1 (b), GeSi EAM má širokú elektrooptickú šírku pásma. Obrázok 1 (b) znázorňuje meranie parametra S21 jednej testovacej štruktúry GeSi EAM pomocou analyzátora optických komponentov (LCA) s frekvenciou 67 GHz. Obrázky 1 (c) a 1 (d) znázorňujú spektrá statického extinkčného pomeru (ER) pri rôznych jednosmerných napätiach a transmisiu pri vlnovej dĺžke 1555 nanometrov.
Ako je znázornené na obrázku 1 (e), hlavným znakom tejto konštrukcie je schopnosť potlačiť optické nosiče nastavením integrovaného fázového posúvača v strednom ramene. Fázový rozdiel medzi horným a dolným ramenom je π/2 a používa sa na komplexné ladenie, zatiaľ čo fázový rozdiel medzi stredným ramenom je -3 π/4. Táto konfigurácia umožňuje deštruktívnu interferenciu s nosičom, ako je znázornené v komplexnej rovine na obrázku 1 (f).
Experimentálne nastavenie a výsledky
Vysokorýchlostné experimentálne usporiadanie je znázornené na obrázku 2 (a). Ako zdroj signálu sa používa generátor ľubovoľného tvaru vlny (Keysight M8194A) a ako budiče modulátora sa používajú dva fázovo prispôsobené RF zosilňovače s frekvenciou 60 GHz (s integrovanými predpäťovými odbočkami). Predpäťové napätie GeSi EAM je -2,5 V a na minimalizáciu elektrického fázového nesúladu medzi kanálmi I a Q sa používa fázovo prispôsobený RF kábel.
Obrázok 2: (a) Vysokorýchlostné experimentálne nastavenie, (b) Potlačenie nosnej vlny pri 70 Gbaud, (c) Miera chybovosti a prenosová rýchlosť, (d) Konštelácia pri 70 Gbaud. Ako optickú nosnú vlnu použite komerčne dostupný laser s vonkajšou dutinou (ECL) so šírkou čiary 100 kHz, vlnovou dĺžkou 1555 nm a výkonom 12 dBm. Po modulácii sa optický signál zosilní pomocou...vláknový zosilňovač dopovaný erbiom(EDFA) na kompenzáciu strát väzbou na čipe a strát vložením modulátora.
Na prijímacom konci monitoruje optický spektrálny analyzátor (OSA) spektrum signálu a potlačenie nosnej frekvencie, ako je znázornené na obrázku 2 (b) pre signál s rýchlosťou 70 Gbaud. Na príjem signálov sa používa koherentný prijímač s dvojitou polarizáciou, ktorý pozostáva z 90-stupňového optického zmiešavača a štyroch...Vyvážené fotodiódy 40 GHz, a je pripojený k 33 GHz osciloskopu (RTO) s prenosovou rýchlosťou 80 GSA/s v reálnom čase (Keysight DSOZ634A). Druhý zdroj ECL so šírkou pásma 100 kHz sa používa ako lokálny oscilátor (LO). Vzhľadom na to, že vysielač pracuje v podmienkach jednej polarizácie, na analógovo-digitálny prevod (ADC) sa používajú iba dva elektronické kanály. Dáta sa zaznamenávajú na RTO a spracovávajú sa pomocou offline digitálneho signálového procesora (DSP).
Ako je znázornené na obrázku 2 (c), modulátor IQ bol testovaný s použitím modulačného formátu QPSK od 40 Gbaud do 75 Gbaud. Výsledky naznačujú, že za podmienok 7 % korekcie chýb s tvrdým rozhodovaním (HD-FEC) môže rýchlosť dosiahnuť 140 Gb/s; za podmienok 20 % korekcie chýb s mäkkým rozhodovaním (SD-FEC) môže rýchlosť dosiahnuť 150 Gb/s. Diagram konštelácie pri 70 Gbaud je znázornený na obrázku 2 (d). Výsledok je obmedzený šírkou pásma osciloskopu 33 GHz, čo zodpovedá šírke pásma signálu približne 66 Gbaud.
Ako je znázornené na obrázku 2 (b), trojramenná štruktúra dokáže účinne potlačiť optické nosiče s mierou zatemnenia presahujúcou 30 dB. Táto štruktúra nevyžaduje úplné potlačenie nosiča a možno ju použiť aj v prijímačoch, ktoré vyžadujú nosné tóny na obnovenie signálov, ako sú napríklad prijímače Kramer Kronig (KK). Nosný tón je možné nastaviť pomocou fázového posunu centrálneho ramena, aby sa dosiahol požadovaný pomer nosiča k bočnému pásmu (CSR).
Výhody a aplikácie
V porovnaní s tradičnými Mach-Zehnderovými modulátormi (MZM modulátory) a iných optoelektronických IQ modulátorov na báze kremíka má navrhovaný kremíkový IQ modulátor viacero výhod. Po prvé, je kompaktný, viac ako 10-krát menší ako IQ modulátory založené naMach-Zehnderove modulátory(okrem spojovacích plôšok), čím sa zvyšuje hustota integrácie a znižuje plocha čipu. Po druhé, konštrukcia stohovaných elektród nevyžaduje použitie koncových rezistorov, čím sa znižuje kapacita zariadenia a energia na bit. Po tretie, schopnosť potlačenia nosičov maximalizuje zníženie prenosového výkonu, čím sa ďalej zlepšuje energetická účinnosť.
Okrem toho je optická šírka pásma GeSi EAM veľmi široká (viac ako 30 nanometrov), čo eliminuje potrebu viackanálových spätnoväzobných riadiacich obvodov a procesorov na stabilizáciu a synchronizáciu rezonancie mikrovlnných modulátorov (MRM), čím sa zjednodušuje návrh.
Tento kompaktný a efektívny IQ modulátor je veľmi vhodný pre koherentné vysielače a prijímače novej generácie s vysokým počtom kanálov a malé v dátových centrách, čo umožňuje vyššiu kapacitu a energeticky úspornejšiu optickú komunikáciu.
Kremíkový IQ modulátor s potlačením nosnej vlny vykazuje vynikajúci výkon s rýchlosťou prenosu dát až 150 Gb/s pri podmienkach 20 % SD-FEC. Jeho kompaktná 3-ramenná štruktúra založená na GeSi EAM má významné výhody z hľadiska rozmeru, energetickej účinnosti a jednoduchosti dizajnu. Tento modulátor má schopnosť potlačiť alebo upraviť optickú nosnú vlnu a možno ho integrovať s koherentnou detekciou a detekčnými schémami Kramer Kronig (KK) pre viacriadkové kompaktné koherentné transceivery. Preukázané úspechy vedú k realizácii vysoko integrovaných a efektívnych optických transceiverov, ktoré uspokoja rastúci dopyt po vysokokapacitnej dátovej komunikácii v dátových centrách a iných oblastiach.
Čas uverejnenia: 21. januára 2025