Kompaktná optoelektronika na báze kremíkaIQ modulátorpre vysokorýchlostnú koherentnú komunikáciu
Rastúci dopyt po vyšších rýchlostiach prenosu dát a energeticky efektívnejších vysielačoch a prijímačoch v dátových centrách podnietil vývoj kompaktných vysokovýkonnýchoptické modulátory. Optoelektronická technológia na báze kremíka (SiPh) sa stala sľubnou platformou na integráciu rôznych fotonických komponentov do jedného čipu, čo umožňuje kompaktné a nákladovo efektívne riešenia. Tento článok preskúma nový kremíkový modulátor IQ s potlačeným nosičom založený na GeSi EAM, ktorý môže pracovať s frekvenciou až 75 Gbaud.
Dizajn a vlastnosti zariadenia
Navrhovaný modulátor IQ využíva kompaktnú trojramennú štruktúru, ako je znázornené na obrázku 1 (a). Pozostáva z troch GeSi EAM a troch termooptických fázových posúvačov, ktoré majú symetrickú konfiguráciu. Vstupné svetlo je pripojené k čipu cez mriežkovú spojku (GC) a rovnomerne rozdelené do troch dráh cez 1×3 multimódový interferometer (MMI). Po prechode cez modulátor a fázový posunovač je svetlo rekombinované ďalším 1 × 3 MMI a potom spojené s jednovidovým vláknom (SSMF).
Obrázok 1: (a) Mikroskopický obraz IQ modulátora; (b) – (d) EO S21, spektrum extinkčného pomeru a priepustnosť jedného GeSi EAM; (e) Schematický diagram IQ modulátora a zodpovedajúcej optickej fázy fázového posúvača; (f) Reprezentácia potlačenia nosnej na komplexnej rovine. Ako je znázornené na obrázku 1 (b), GeSi EAM má širokú elektrooptickú šírku pásma. Obrázok 1 (b) meral parameter S21 jedinej testovacej štruktúry GeSi EAM pomocou 67 GHz analyzátora optických komponentov (LCA). Obrázky 1 (c) a 1 (d) zobrazujú spektrá statického extinkčného pomeru (ER) pri rôznych jednosmerných napätiach a prenos pri vlnovej dĺžke 1555 nanometrov.
Ako je znázornené na obrázku 1 (e), hlavnou črtou tohto dizajnu je schopnosť potlačiť optické nosiče nastavením integrovaného fázového posúvača v strednom ramene. Fázový rozdiel medzi horným a dolným ramenom je π/2, ktorý sa používa 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 nastavenie je znázornené na obrázku 2 (a). Ako zdroj signálu sa používa generátor ľubovoľného tvaru vlny (Keysight M8194A) a ako budiče modulátora sa používajú dva 60 GHz fázovo prispôsobené RF zosilňovače (s integrovanými T-kusmi). Predpätie GeSi EAM je -2,5 V a fázovo prispôsobený RF kábel sa používa na minimalizáciu elektrického fázového nesúladu medzi kanálmi I a Q.
Obrázok 2: (a) Experimentálne nastavenie vysokej rýchlosti, (b) Potlačenie prenosu pri 70 Gbaud, (c) Chybovosť a rýchlosť prenosu dát, (d) Konštelácia pri 70 Gbaud. Ako optický nosič použite komerčný laser s externou dutinou (ECL) so šírkou čiary 100 kHz, vlnovou dĺžkou 1555 nm a výkonom 12 dBm. Po modulácii sa optický signál zosilní pomocou anerbiom dopovaný vláknový zosilňovač(EDFA) na kompenzáciu strát na čipe a strát vložením modulátora.
Na prijímacej strane monitoruje optický spektrálny analyzátor (OSA) spektrum signálu a potlačenie nosnej, ako je znázornené na obrázku 2 (b) pre signál 70 Gbaud. Na príjem signálov použite duálny polarizačný koherentný prijímač, ktorý pozostáva z 90 stupňového optického zmiešavača a štyroch40 GHz vyvážené fotodiódya je pripojený k 33 GHz, 80 GSa/s osciloskopu v reálnom čase (RTO) (Keysight DSOZ634A). Druhý ECL zdroj so šírkou linky 100 kHz sa používa ako lokálny oscilátor (LO). Vzhľadom na to, že vysielač pracuje v podmienkach jednej polarizácie, na analógovo-digitálnu konverziu (ADC) sa používajú iba dva elektronické kanály. Dáta sú zaznamenané na RTO a spracované pomocou offline digitálneho signálového procesora (DSP).
Ako je znázornené na obrázku 2 (c), modulátor IQ bol testovaný pomocou modulačného formátu QPSK od 40 Gbaud do 75 Gbaud. Výsledky naznačujú, že za podmienok 7 % tvrdej korekcie chýb pri rozhodovaní (HD-FEC) môže rýchlosť dosiahnuť 140 Gb/s; Pri 20% mäkkej korekcii chýb pri rozhodovaní (SD-FEC) môže rýchlosť dosiahnuť 150 Gb/s. Konštelačný diagram 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 môže účinne potlačiť optické nosiče s rýchlosťou zatemnenia presahujúcou 30 dB. Táto štruktúra nevyžaduje úplné potlačenie nosnej frekvencie a môže sa použiť aj v prijímačoch, ktoré vyžadujú nosné tóny na obnovenie signálov, ako sú prijímače Kramer Kronig (KK). Nosič je možné nastaviť pomocou centrálneho posúvača fázy, aby sa dosiahol požadovaný pomer nosnej k postrannému pásmu (CSR).
Výhody a aplikácie
V porovnaní s tradičnými modulátormi Mach Zehnder (modulátory MZM) a iných optoelektronických IQ modulátorov na báze kremíka má navrhovaný kremíkový IQ modulátor viacero výhod. Po prvé, má kompaktnú veľkosť, viac ako 10-krát menšiu ako modulátory IQMach Zehnder modulátory(okrem lepiacich podložiek), čím sa zvyšuje hustota integrácie a znižuje sa plocha čipu. Po druhé, konštrukcia stohovanej elektródy nevyžaduje použitie koncových odporov, čím sa znižuje kapacita zariadenia a energia na bit. Po tretie, schopnosť potláčania nosnej frekvencie maximalizuje zníženie prenosového výkonu a ďalej zlepšuje energetickú účinnosť.
Okrem toho je optická šírka pásma GeSi EAM veľmi široká (viac ako 30 nanometrov), čo eliminuje potrebu viackanálových spätnoväzbových 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 novú generáciu, vysoký počet kanálov a malé koherentné transceivery v dátových centrách, čo umožňuje vyššiu kapacitu a energeticky efektívnejšiu optickú komunikáciu.
Kremíkový modulátor IQ s potlačeným nosičom vykazuje vynikajúci výkon s rýchlosťou prenosu dát až 150 Gb/s pri 20 % SD-FEC podmienkach. Jeho kompaktná 3-ramenná štruktúra založená na GeSi EAM má významné výhody z hľadiska pôdorysu, energetickej účinnosti a jednoduchosti dizajnu. Tento modulátor má schopnosť potlačiť alebo upraviť optický nosič a môže byť integrovaný 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, aby uspokojili rastúci dopyt po vysokokapacitnej dátovej komunikácii v dátových centrách a iných oblastiach.
Čas odoslania: 21. januára 2025