Kompaktna optoelektronika na osnovi silicijaModulator IQza visokohitrostno koherentno komunikacijo
Naraščajoče povpraševanje po višjih hitrostih prenosa podatkov in energetsko učinkovitejših oddajnikih-sprejemnikih v podatkovnih centrih je spodbudilo razvoj kompaktnih visokozmogljivihoptični modulatorjiOptoelektronska tehnologija na osnovi silicija (SiPh) je postala obetavna platforma za integracijo različnih fotonskih komponent na enem samem čipu, kar omogoča kompaktne in stroškovno učinkovite rešitve. Ta članek bo raziskal nov silicijev IQ modulator z dušenjem nosilcev na osnovi GeSi EAM-ov, ki lahko deluje s frekvenco do 75 Gbaud.
Zasnova in značilnosti naprave
Predlagani IQ modulator ima kompaktno trikrako strukturo, kot je prikazano na sliki 1 (a). Sestavljen je iz treh GeSi EAM in treh termooptičnih faznih preklopnikov, ki imajo simetrično konfiguracijo. Vhodna svetloba se prek rešetkastega sklopnika (GC) dovaja v čip in se enakomerno razdeli v tri poti prek 1×3 večmodnega interferometra (MMI). Po prehodu skozi modulator in fazni preklopnik se svetloba rekombinira z drugim 1×3 MMI in nato poveže z enomodnim vlaknom (SSMF).
Slika 1: (a) Mikroskopska slika IQ modulatorja; (b) – (d) EO S21, spekter ekstinkcijskega razmerja in transmisija posameznega GeSi EAM; (e) Shematski diagram IQ modulatorja in ustrezne optične faze faznega premikalnika; (f) Predstavitev dušenja nosilcev na kompleksni ravnini. Kot je prikazano na sliki 1 (b), ima GeSi EAM široko elektrooptično pasovno širino. Slika 1 (b) prikazuje izmerjen parameter S21 posamezne testne strukture GeSi EAM z uporabo analizatorja optičnih komponent (LCA) s frekvenco 67 GHz. Sliki 1 (c) in 1 (d) prikazujeta statične spektre ekstinkcijskega razmerja (ER) pri različnih enosmernih napetostih in transmisijo pri valovni dolžini 1555 nanometrov.
Kot je prikazano na sliki 1 (e), je glavna značilnost te zasnove zmožnost dušenja optičnih nosilcev z nastavitvijo integriranega faznega premikalnika v srednjem kraku. Fazna razlika med zgornjim in spodnjim krakom je π/2, kar se uporablja za kompleksno uglaševanje, medtem ko je fazna razlika med srednjim krakom -3 π/4. Ta konfiguracija omogoča destruktivno interferenco nosilca, kot je prikazano v kompleksni ravnini na sliki 1 (f).
Eksperimentalna postavitev in rezultati
Visokohitrostna eksperimentalna postavitev je prikazana na sliki 2 (a). Kot vir signala se uporablja generator poljubnih valovnih oblik (Keysight M8194A), kot gonilnika modulatorja pa dva 60 GHz fazno usklajena RF ojačevalnika (z integriranimi T-vmesniki). Napetost prednapetosti GeSi EAM je -2,5 V, za zmanjšanje električne fazne neusklajenosti med kanaloma I in Q pa se uporablja fazno usklajen RF kabel.
Slika 2: (a) Visokohitrostna eksperimentalna postavitev, (b) Dušenje nosilca pri 70 Gbaud, (c) Stopnja napak 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 z vlakni, dopiranimi z erbijem(EDFA) za kompenzacijo izgub zaradi sklopitve na čipu in izgub zaradi vstavljanja modulatorja.
Na sprejemnem koncu optični spektralni analizator (OSA) spremlja spekter signala in dušenje nosilca, kot je prikazano na sliki 2 (b) za signal s hitrostjo 70 Gbaudov. Za sprejem signalov uporabite koherentni sprejemnik z dvojno polarizacijo, ki je sestavljen iz 90-stopinjskega optičnega mešalnika in štirih40 GHz uravnotežene fotodiode, in je priključen na 33 GHz osciloskop v realnem času (RTO) z zmogljivostjo 80 GSA/s (Keysight DSOZ634A). Drugi ECL vir s širino linije 100 kHz se uporablja kot lokalni oscilator (LO). Ker oddajnik deluje v pogojih ene polarizacije, se za analogno-digitalno pretvorbo (ADC) uporabljata le dva elektronska kanala. Podatki se beležijo na RTO in obdelujejo z uporabo brez povezave digitalnega signalnega procesorja (DSP).
Kot je prikazano na sliki 2 (c), je bil modulator IQ preizkušen z uporabo modulacijskega formata QPSK od 40 Gbaudov do 75 Gbaudov. Rezultati kažejo, da lahko pri 7-odstotni trdi korekciji napak naprej (HD-FEC) hitrost doseže 140 Gb/s; pri 20-odstotni mehki korekciji napak naprej (SD-FEC) pa lahko hitrost doseže 150 Gb/s. Diagram konstelacije pri 70 Gbaudih je prikazan na sliki 2 (d). Rezultat je omejen s pasovno širino osciloskopa 33 GHz, kar je enakovredno pasovni širini signala približno 66 Gbaudov.
Kot je prikazano na sliki 2 (b), lahko struktura s tremi kraki učinkovito zaduši optične nosilce s stopnjo zatemnitve, ki presega 30 dB. Ta struktura ne zahteva popolnega zatiranja nosilca in se lahko uporablja tudi v sprejemnikih, ki za obnovitev signalov potrebujejo nosilne tone, kot so sprejemniki Kramer Kronig (KK). Nosilec je mogoče prilagoditi s faznim premikalnikom centralnega kraka, da se doseže želeno razmerje med nosilcem in stranskim pasom (CSR).
Prednosti in uporaba
V primerjavi s tradicionalnimi Mach-Zehnderjevimi modulatorji (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-Zehnderjevi modulatorji(brez povezovalnih blazinic), s čimer se poveča gostota integracije in zmanjša površina čipa. Drugič, zasnova zloženih elektrod ne zahteva uporabe končnih uporov, s čimer se zmanjša kapacitivnost naprave in energija na bit. Tretjič, zmožnost dušenja nosilcev maksimizira zmanjšanje prenosne moči, kar 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 kompaktni in učinkoviti IQ modulator je zelo primeren za naslednje generacije, veliko število kanalov in majhne koherentne oddajnike-sprejemnike v podatkovnih centrih, kar omogoča večjo zmogljivost in energetsko učinkovitejšo optično komunikacijo.
Silikonski IQ modulator z dušenjem nosilcev kaže odlično zmogljivost, s hitrostjo prenosa podatkov do 150 Gb/s pod pogoji 20 % SD-FEC. Njegova kompaktna 3-kraka struktura, ki temelji na GeSi EAM, ima pomembne prednosti glede na velikost, energetsko učinkovitost in preprostost zasnove. Ta modulator ima sposobnost dušenja ali prilagajanja optičnega nosilca in ga je mogoče integrirati s koherentnimi detekcijskimi shemami in shemami zaznavanja Kramer Kronig (KK) za večlinijske kompaktne koherentne oddajnike-sprejemnike. Dokazani dosežki spodbujajo realizacijo visoko integriranih in učinkovitih optičnih oddajnikov-sprejemnikov, ki bodo zadovoljili naraščajoče povpraševanje po visokozmogljivi podatkovni komunikaciji v podatkovnih centrih in na drugih področjih.
Čas objave: 21. januar 2025