For høyhastighets koherent kommunikasjon, kompakt silisiumbasert optoelektronisk IQ-modulator

Kompakt silisiumbasert optoelektronikkIQ-modulatorfor høyhastighets koherent kommunikasjon
Den økende etterspørselen etter høyere dataoverføringshastigheter og mer energieffektive sendere/mottakere i datasentre har drevet utviklingen av kompakte høyytelsesenheter.optiske modulatorerSilisiumbasert optoelektronisk teknologi (SiPh) har blitt en lovende plattform for å integrere ulike fotoniske komponenter på én brikke, noe som muliggjør kompakte og kostnadseffektive løsninger. Denne artikkelen vil utforske en ny bærerundertrykt silisium-IQ-modulator basert på GeSi EAM-er, som kan operere med en frekvens på opptil 75 Gbaud.
Enhetsdesign og egenskaper
Den foreslåtte IQ-modulatoren har en kompakt trearmsstruktur, som vist i figur 1 (a). Den består av tre GeSi EAM-er og tre termooptiske faseskiftere, og har en symmetrisk konfigurasjon. Inngangslyset kobles inn i brikken gjennom en gitterkobler (GC) og fordeles jevnt i tre baner gjennom et 1×3 multimodusinterferometer (MMI). Etter å ha passert gjennom modulatoren og faseskifteren, rekombineres lyset av en annen 1×3 MMI og kobles deretter til en enkeltmodusfiber (SSMF).

Figur 1: (a) Mikroskopisk bilde av IQ-modulator; (b) – (d) EO S21, ekstinksjonsforholdsspektrum og transmittans for en enkelt GeSi EAM; (e) Skjematisk diagram av IQ-modulator og tilsvarende optisk fase av faseskifter; (f) Representasjon av bærebølgeundertrykkelse på det komplekse planet. Som vist i figur 1 (b), har GeSi EAM en bred elektrooptisk båndbredde. Figur 1 (b) målte S21-parameteren til en enkelt GeSi EAM-teststruktur ved bruk av en 67 GHz optisk komponentanalysator (LCA). Figur 1 (c) og 1 (d) viser henholdsvis statisk ekstinksjonsforhold (ER)-spektre ved forskjellige likespenninger og transmisjonen ved en bølgelengde på 1555 nanometer.
Som vist i figur 1 (e), er hovedtrekket ved denne designen muligheten til å undertrykke optiske bærebølger ved å justere den integrerte faseskifteren i midtarmen. Faseforskjellen mellom øvre og nedre arm er π/2, brukt til kompleks tuning, mens faseforskjellen mellom midtarmen er -3 π/4. Denne konfigurasjonen tillater destruktiv interferens til bærebølgen, som vist i det komplekse planet i figur 1 (f).
Eksperimentelt oppsett og resultater
Høyhastighetseksperimentoppsettet er vist i figur 2 (a). En vilkårlig bølgeformgenerator (Keysight M8194A) brukes som signalkilde, og to 60 GHz fasetilpassede RF-forsterkere (med integrerte bias-T-er) brukes som modulatordrivere. Biasspenningen til GeSi EAM er -2,5 V, og en fasetilpasset RF-kabel brukes for å minimere elektrisk faseavvik mellom I- og Q-kanalene.
Figur 2: (a) Eksperimentelt oppsett med høy hastighet, (b) Bærerundertrykkelse ved 70 Gbaud, (c) Feilrate og datarate, (d) Konstellasjon ved 70 Gbaud. Bruk en kommersiell ekstern kavitetslaser (ECL) med en linjebredde på 100 kHz, bølgelengde på 1555 nm og effekt på 12 dBm som optisk bærer. Etter modulering forsterkes det optiske signalet ved hjelp av enerbiumdopet fiberforsterker(EDFA) for å kompensere for koblingstap på brikken og innsettingstap for modulatoren.
I mottakerenden overvåker en optisk spektrumanalysator (OSA) signalspekteret og bærebølgeundertrykkelsen, som vist i figur 2 (b) for et 70 Gbaud-signal. Bruk en koherent mottaker med dobbel polarisasjon for å motta signaler, som består av en 90-graders optisk mikser og fire40 GHz balanserte fotodioder, og er koblet til et 33 GHz, 80 GSa/s sanntidsoscilloskop (RTO) (Keysight DSOZ634A). Den andre ECL-kilden med en linjebredde på 100 kHz brukes som en lokal oscillator (LO). Fordi senderen opererer under enkeltpolarisasjonsforhold, brukes bare to elektroniske kanaler for analog-til-digital-konvertering (ADC). Dataene registreres på RTO og behandles ved hjelp av en offline digital signalprosessor (DSP).
Som vist i figur 2 (c), ble IQ-modulatoren testet ved hjelp av QPSK-modulasjonsformat fra 40 Gbaud til 75 Gbaud. Resultatene indikerer at under 7 % hard decision forward error correction (HD-FEC) kan hastigheten nå 140 Gb/s. Under 20 % soft decision forward error correction (SD-FEC) kan hastigheten nå 150 Gb/s. Konstellasjonsdiagrammet ved 70 Gbaud er vist i figur 2 (d). Resultatet er begrenset av oscilloskopbåndbredden på 33 GHz, som tilsvarer en signalbåndbredde på omtrent 66 Gbaud.

Som vist i figur 2 (b), kan trearmsstrukturen effektivt undertrykke optiske bærebølger med en blankingrate som overstiger 30 dB. Denne strukturen krever ikke fullstendig undertrykkelse av bærebølgen og kan også brukes i mottakere som krever bærebølgetoner for å gjenopprette signaler, for eksempel Kramer Kronig (KK)-mottakere. Bærebølgen kan justeres via en sentral armfaseskifter for å oppnå ønsket bærebølge-til-sidebånd-forhold (CSR).
Fordeler og bruksområder
Sammenlignet med tradisjonelle Mach-Zehnder-modulatorer (MZM-modulatorer) og andre silisiumbaserte optoelektroniske IQ-modulatorer, har den foreslåtte silisium-IQ-modulatoren flere fordeler. For det første er den kompakt i størrelse, mer enn 10 ganger mindre enn IQ-modulatorer basert påMach-Zehnder-modulatorer(unntatt bonding pads), og dermed øke integrasjonstettheten og redusere brikkearealet. For det andre krever ikke den stablede elektrodekonstruksjonen bruk av terminalmotstander, noe som reduserer enhetens kapasitans og energi per bit. For det tredje maksimerer bærebølgeundertrykkelsesevnen reduksjonen av sendeeffekt, noe som ytterligere forbedrer energieffektiviteten.
I tillegg er den optiske båndbredden til GeSi EAM svært bred (over 30 nanometer), noe som eliminerer behovet for flerkanals tilbakekoblingskontrollkretser og prosessorer for å stabilisere og synkronisere resonansen til mikrobølgemodulatorer (MRM-er), og dermed forenkle designet.
Denne kompakte og effektive IQ-modulatoren er svært egnet for neste generasjons transceivere med høyt kanaltall og små koherente transceivere i datasentre, og muliggjør høyere kapasitet og mer energieffektiv optisk kommunikasjon.
Den bærebølgeundertrykte silisium IQ-modulatoren viser utmerket ytelse, med en dataoverføringshastighet på opptil 150 Gb/s under 20 % SD-FEC-forhold. Den kompakte 3-armsstrukturen basert på GeSi EAM har betydelige fordeler når det gjelder fotavtrykk, energieffektivitet og enkel design. Denne modulatoren har evnen til å undertrykke eller justere den optiske bærebølgen og kan integreres med koherent deteksjon og Kramer Kronig (KK) deteksjonsskjemaer for flerlinjers kompakte koherente transceivere. De demonstrerte prestasjonene driver realiseringen av svært integrerte og effektive optiske transceivere for å møte den økende etterspørselen etter høykapasitets datakommunikasjon i datasentre og andre felt.