Kompakt silisiumbasert optoelektroniskIQ modulatorfor høyhastighets sammenhengende kommunikasjon
Den økende etterspørselen etter høyere dataoverføringshastigheter og mer energieffektive sender/mottakere i datasentre har drevet utviklingen av kompakt høyytelseoptiske modulatorer. Silisiumbasert optoelektronisk teknologi (SiPh) har blitt en lovende plattform for å integrere ulike fotoniske komponenter på en enkelt 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 bruker en kompakt trearmsstruktur, som vist i figur 1 (a). Sammensatt av tre GeSi EAM og tre termoptiske faseskiftere, som tar i bruk en symmetrisk konfigurasjon. Inngangslyset kobles inn i brikken gjennom en gitterkobling (GC) og jevnt delt inn i tre baner gjennom et 1×3 multimode interferometer (MMI). Etter å ha passert gjennom modulatoren og faseskifteren, blir lyset rekombinert med en annen 1×3 MMI og deretter koblet til en enkeltmodusfiber (SSMF).
Figur 1: (a) Mikroskopisk bilde av IQ-modulator; (b) – (d) EO S21, ekstinksjonsforholdspekter og transmittans for en enkelt GeSi EAM; (e) Skjematisk diagram av IQ-modulator og tilsvarende optisk fase av faseskifter; (f) Bærerundertrykkelsesrepresentasjon på det komplekse planet. Som vist i figur 1 (b), har GeSi EAM en bred elektro-optisk båndbredde. Figur 1 (b) målte S21-parameteren til en enkelt GeSi EAM-teststruktur ved bruk av en 67 GHz optisk komponentanalysator (LCA). Figurene 1 (c) og 1 (d) viser henholdsvis det statiske ekstinksjonsforholdet (ER) spektra ved forskjellige likespenninger og overføringen ved en bølgelengde på 1555 nanometer.
Som vist i figur 1 (e), er hovedtrekket ved denne designen muligheten til å undertrykke optiske bærere ved å justere den integrerte faseskifteren i midtarmen. Faseforskjellen mellom øvre og nedre arm er π/2, brukt for kompleks tuning, mens faseforskjellen mellom midtarmen er -3 π/4. Denne konfigurasjonen tillater destruktiv interferens til bæreren, som vist i det komplekse planet i figur 1 (f).
Eksperimentelt oppsett og resultater
Høyhastighets eksperimentelle oppsett er vist i figur 2 (a). En vilkårlig bølgeformgenerator (Keysight M8194A) brukes som signalkilde, og to 60 GHz fasetilpassede RF-forsterkere (med integrerte bias-tees) brukes som modulatordrivere. Forspenningen til GeSi EAM er -2,5 V, og en fasetilpasset RF-kabel brukes for å minimere elektrisk fasemisforhold mellom I- og Q-kanalene.
Figur 2: (a) Høyhastighets eksperimentelt oppsett, (b) Bærerundertrykkelse ved 70 Gbaud, (c) Feilfrekvens og datahastighet, (d) Konstellasjon ved 70 Gbaud. Bruk en kommersiell ekstern hulromlaser (ECL) med en linjebredde på 100 kHz, bølgelengde på 1555 nm og en effekt på 12 dBm som optisk bærer. Etter modulering forsterkes det optiske signalet ved hjelp av enerbium-dopet fiberforsterker(EDFA) for å kompensere for koblingstap på brikken og modulatorinnsettingstap.
På mottakersiden 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). På grunn av at senderen fungerer under enkeltpolarisasjonsforhold, brukes kun 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 bruk av QPSK-modulasjonsformat fra 40 Gbaud til 75 Gbaud. Resultatene indikerer at under 7 % hard decision forward error correction (HD-FEC) forhold kan hastigheten nå 140 Gb/s; Under betingelsen om 20 % myk beslutningsfremover-feilkorreksjon (SD-FEC), kan hastigheten nå 150 Gb/s. Konstellasjonsdiagrammet ved 70 Gbaud er vist i figur 2 (d). Resultatet er begrenset av oscilloskopets båndbredde på 33 GHz, som tilsvarer en signalbåndbredde på omtrent 66 Gbaud.
Som vist i figur 2 (b), kan trearmstrukturen effektivt undertrykke optiske bærere med en blankingshastighet som overstiger 30 dB. Denne strukturen krever ikke fullstendig undertrykkelse av bærebølgen og kan også brukes i mottakere som krever bæretoner for å gjenopprette signaler, for eksempel Kramer Kronig (KK) mottakere. Bæreren kan justeres gjennom en sentral arm-faseskifter for å oppnå ønsket bærer 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 bindeputer), og øker dermed integrasjonstettheten og reduserer brikkeområdet. For det andre krever ikke den stablede elektrodedesignen bruk av terminalmotstander, og reduserer derved enhetens kapasitans og energi per bit. For det tredje maksimerer bærerundertrykkelsesevnen reduksjonen av overføringskraft, og forbedrer energieffektiviteten ytterligere.
I tillegg er den optiske båndbredden til GeSi EAM veldig bred (over 30 nanometer), noe som eliminerer behovet for flerkanals tilbakemeldingskontrollkretser og prosessorer for å stabilisere og synkronisere resonansen til mikrobølgemodulatorer (MRM), og dermed forenkle designet.
Denne kompakte og effektive IQ-modulatoren er svært egnet for neste generasjons, høyt kanalantall og små sammenhengende transceivere i datasentre, noe som muliggjør høyere kapasitet og mer energieffektiv optisk kommunikasjon.
Den bærerundertrykte 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 bæreren og kan integreres med koherent deteksjon og Kramer Kronig (KK) deteksjonsskjemaer for multilinje 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.
Innleggstid: 21. januar 2025