Kompaktna optoelektronika na osnovi silicijaIQ modulatorza visokohitrostno koherentno komunikacijo
Vse večje povpraševanje po višjih hitrostih prenosa podatkov in energetsko učinkovitejših oddajnikih in sprejemnikih v podatkovnih centrih je spodbudilo razvoj kompaktnih visoko zmogljivihoptični modulatorji. Optoelektronska tehnologija na osnovi silicija (SiPh) je postala obetavna platforma za integracijo različnih fotonskih komponent na en sam čip, kar omogoča kompaktne in stroškovno učinkovite rešitve. Ta članek bo raziskal nov silicijev modulator IQ z zaviranim nosilcem, ki temelji na GeSi EAM, ki lahko deluje pri frekvenci do 75 Gbaud.
Zasnova in značilnosti naprave
Predlagani modulator IQ ima kompaktno strukturo treh krakov, kot je prikazano na sliki 1 (a). Sestavljen iz treh GeSi EAM in treh termo optičnih faznih prestavnikov, ki imajo simetrično konfiguracijo. Vhodna svetloba je sklopljena v čip preko rešetkastega spojnika (GC) in enakomerno razdeljena na tri poti skozi 1×3 multimodni interferometer (MMI). Po prehodu skozi modulator in fazni premik se svetloba rekombinira z drugim 1×3 MMI in nato spoji z enomodnim vlaknom (SSMF).
Slika 1: (a) Mikroskopska slika modulatorja IQ; (b) – (d) EO S21, spekter ekstinkcijskega razmerja in prepustnost posameznega GeSi EAM; (e) shematski diagram modulatorja IQ in ustrezne optične faze faznega premikalnika; (f) Predstavitev zatiranja nosilca na kompleksni ravnini. Kot je prikazano na sliki 1 (b), ima GeSi EAM široko elektrooptično pasovno širino. Na sliki 1 (b) je bil izmerjen parameter S21 ene same testne strukture GeSi EAM z uporabo 67 GHz analizatorja optičnih komponent (LCA). Sliki 1 (c) oziroma 1 (d) prikazujeta spektre razmerja statične ekstinkcije (ER) pri različnih enosmernih napetostih in prenos pri valovni dolžini 1555 nanometrov.
Kot je prikazano na sliki 1 (e), je glavna značilnost te zasnove zmožnost zatiranja optičnih nosilcev s prilagajanjem integriranega faznega prestavljalca v srednji roki. Fazna razlika med zgornjim in spodnjim krakom je π/2, ki se uporablja za kompleksno uglaševanje, medtem ko je fazna razlika med srednjim krakom -3 π/4. Ta konfiguracija omogoča destruktivno motenje nosilca, kot je prikazano v kompleksni ravnini na sliki 1 (f).
Eksperimentalna postavitev in rezultati
Eksperimentalna postavitev za visoke hitrosti je prikazana na sliki 2 (a). Generator poljubne valovne oblike (Keysight M8194A) se uporablja kot vir signala, dva 60 GHz fazno usklajena RF ojačevalnika (z integriranimi prednapetostmi) pa se uporabljata kot gonilnika modulatorja. Prednapetost GeSi EAM je -2,5 V, za zmanjšanje električnega faznega neujemanja med kanaloma I in Q pa se uporablja fazno usklajen RF kabel.
Slika 2: (a) Eksperimentalna nastavitev visoke hitrosti, (b) Zatiranje nosilca pri 70 Gbaud, (c) Stopnja napake in hitrost prenosa podatkov, (d) Konstelacija pri 70 Gbaud. Kot optični nosilec uporabite komercialni laser z zunanjo votlino (ECL) s širino črte 100 kHz, valovno dolžino 1555 nm in močjo 12 dBm. Po modulaciji se optični signal ojača z uporaboojačevalnik vlaken, dopiranih z erbijem(EDFA) za kompenzacijo izgub pri spajanju na čipu in izgub pri vstavljanju modulatorja.
Na sprejemnem koncu analizator optičnega spektra (OSA) spremlja spekter signala in zatiranje nosilca, kot je prikazano na sliki 2 (b) za signal 70 Gbaud. Za sprejemanje signalov uporabite koherentni sprejemnik z dvojno polarizacijo, ki je sestavljen iz 90-stopinjskega optičnega mešalnika in štirih40 GHz uravnotežene fotodiodein je povezan s 33 GHz, 80 GSa/s osciloskopom v realnem času (RTO) (Keysight DSOZ634A). Drugi vir ECL s širino črte 100 kHz se uporablja kot lokalni oscilator (LO). Zaradi delovanja oddajnika v pogojih ene same polarizacije se za analogno-digitalno pretvorbo (ADC) uporabljata samo dva elektronska kanala. Podatki se posnamejo na RTO in obdelajo z uporabo digitalnega signalnega procesorja (DSP) brez povezave.
Kot je prikazano na sliki 2 (c), je bil modulator IQ testiran z modulacijskim formatom QPSK od 40 Gbaud do 75 Gbaud. Rezultati kažejo, da lahko v pogojih 7-odstotnega odpravljanja napak pri težkih odločitvah (HD-FEC) hitrost doseže 140 Gb/s; Pod pogojem 20-odstotnega popravljanja napak s posredovanjem mehke odločitve (SD-FEC) lahko hitrost doseže 150 Gb/s. Konstelacijski diagram pri 70 Gbaud je prikazan na sliki 2 (d). Rezultat je omejen s pasovno širino osciloskopa 33 GHz, kar je enako pasovni širini signala približno 66 Gbaud.
Kot je prikazano na sliki 2 (b), lahko struktura s tremi rokami učinkovito zatre optične nosilce s stopnjo slepitve, ki presega 30 dB. Ta struktura ne zahteva popolnega zatiranja nosilca in se lahko uporablja tudi v sprejemnikih, ki zahtevajo nosilne tone za obnovitev signalov, kot so sprejemniki Kramer Kronig (KK). Nosilec je mogoče prilagoditi s faznim premikom na osrednji roki, da se doseže želeno razmerje med nosilcem in stranskim pasom (CSR).
Prednosti in aplikacije
V primerjavi s tradicionalnimi modulatorji Mach Zehnder (MZM modulatorji) in drugih optoelektronskih IQ modulatorjev na osnovi silicija ima predlagani silicijev IQ modulator številne prednosti. Prvič, je kompaktne velikosti, več kot 10-krat manjši od IQ modulatorjev, ki temeljijo naMach Zehnder modulatorji(brez veznih ploščic), s čimer se poveča gostota integracije in zmanjša površina čipa. Drugič, zasnova zloženih elektrod ne zahteva uporabe končnih uporov, s čimer se zmanjšata kapacitivnost naprave in energija na bit. Tretjič, zmožnost zatiranja nosilca maksimira zmanjšanje prenosne moči in dodatno izboljša energetsko učinkovitost.
Poleg tega je optična pasovna širina GeSi EAM zelo široka (več kot 30 nanometrov), kar odpravlja potrebo po večkanalnih povratnih krmilnih vezjih in procesorjih za stabilizacijo in sinhronizacijo resonance mikrovalovnih modulatorjev (MRM), s čimer se poenostavi zasnova.
Ta kompakten in učinkovit modulator IQ je zelo primeren za naslednjo generacijo z velikim številom kanalov in majhne koherentne oddajnike-sprejemnike v podatkovnih centrih, kar omogoča večjo zmogljivost in energetsko učinkovitejšo optično komunikacijo.
Silicijev IQ modulator z zaviranim nosilcem kaže odlično zmogljivost s hitrostjo prenosa podatkov do 150 Gb/s pri 20 % SD-FEC pogojih. Njegova kompaktna 3-kraka struktura, ki temelji na GeSi EAM, ima pomembne prednosti v smislu odtisa, energetske učinkovitosti in preprostosti oblikovanja. Ta modulator ima možnost zatiranja ali prilagajanja optičnega nosilca in ga je mogoče integrirati s koherentnim zaznavanjem in shemami za zaznavanje Kramer Kronig (KK) za večlinijske kompaktne koherentne oddajnike. Prikazani dosežki spodbujajo realizacijo visoko integriranih in učinkovitih optičnih oddajnikov, ki izpolnjujejo vse večje povpraševanje po visoko zmogljivi podatkovni komunikaciji v podatkovnih centrih in na drugih področjih.
Čas objave: 21. januarja 2025