Kompaktna optoelektronika na bazi silicijaModulator inteligencijeza brzu koherentnu komunikaciju
Rastuća potražnja za većim brzinama prijenosa podataka i energetski učinkovitijim primopredajnicima u podatkovnim centrima potaknula je razvoj kompaktnih visokoučinkovitihoptički modulatoriOptoelektronička tehnologija na bazi silicija (SiPh) postala je obećavajuća platforma za integraciju različitih fotonskih komponenti na jedan čip, omogućujući kompaktna i isplativa rješenja. Ovaj članak će istražiti novi silicijski IQ modulator s potisnutim nosiocem, baziran na GeSi EAM-ovima, koji može raditi na frekvenciji do 75 Gbauda.
Dizajn i karakteristike uređaja
Predloženi IQ modulator usvaja kompaktnu strukturu s tri kraka, kao što je prikazano na slici 1 (a). Sastoji se od tri GeSi EAM i tri termooptička pomicača faze, usvajajući simetričnu konfiguraciju. Ulazna svjetlost se dovodi u čip putem rešetkastog spojnika (GC) i ravnomjerno dijeli u tri puta putem 1×3 višemodnog interferometra (MMI). Nakon prolaska kroz modulator i pomicač faze, svjetlost se rekombinira pomoću drugog 1×3 MMI-ja, a zatim se spaja na jednomodno vlakno (SSMF).
Slika 1: (a) Mikroskopska slika IQ modulatora; (b) – (d) EO S21, spektar omjera ekstinkcije i transmitancija pojedinačnog GeSi EAM-a; (e) Shematski dijagram IQ modulatora i odgovarajuće optičke faze faznog pomicača; (f) Prikaz supresije nosioca na kompleksnoj ravnini. Kao što je prikazano na slici 1 (b), GeSi EAM ima široku elektrooptičku propusnost. Slika 1 (b) prikazuje parametar S21 jedne GeSi EAM testne strukture pomoću analizatora optičkih komponenti (LCA) od 67 GHz. Slike 1 (c) i 1 (d) prikazuju spektre statičkog omjera ekstinkcije (ER) pri različitim istosmjernim naponima i transmisiju na valnoj duljini od 1555 nanometara.
Kao što je prikazano na slici 1 (e), glavna značajka ovog dizajna je mogućnost potiskivanja optičkih nositelja podešavanjem integriranog faznog pomicača u srednjem kraku. Fazna razlika između gornjeg i donjeg kraka je π/2, koristi se za kompleksno podešavanje, dok je fazna razlika između srednjeg kraka -3 π/4. Ova konfiguracija omogućuje destruktivnu interferenciju nosioca, kao što je prikazano u kompleksnoj ravnini slike 1 (f).
Eksperimentalna postavka i rezultati
Eksperimentalna postavka velike brzine prikazana je na slici 2 (a). Kao izvor signala koristi se generator proizvoljnog valnog oblika (Keysight M8194A), a kao pogonski sklopovi modulatora koriste se dva 60 GHz fazno usklađena RF pojačala (s integriranim T-konektorima za pristranost). Napon pristranosti GeSi EAM-a je -2,5 V, a za minimiziranje električne fazne neusklađenosti između I i Q kanala koristi se fazno usklađeni RF kabel.
Slika 2: (a) Eksperimentalni postav velike brzine, (b) Potiskivanje nosioca pri 70 Gbauda, (c) Stopa pogrešaka i brzina prijenosa podataka, (d) Konstelacija pri 70 Gbauda. Kao optički nosilac koristite komercijalni laser s vanjskom šupljinom (ECL) širine linije od 100 kHz, valne duljine 1555 nm i snage 12 dBm. Nakon modulacije, optički signal se pojačava pomoćuerbijem dopirano vlaknasto pojačalo(EDFA) za kompenzaciju gubitaka vezanja na čipu i gubitaka unesenih u modulator.
Na prijemnom kraju, optički analizator spektra (OSA) prati spektar signala i potiskivanje nosioca, kao što je prikazano na slici 2 (b) za signal od 70 Gbauda. Za prijem signala koristite koherentni prijemnik s dvostrukom polarizacijom, koji se sastoji od optičkog miksera od 90 stupnjeva i četiri...40 GHz uravnotežene fotodiode, i spojen je na osciloskop u stvarnom vremenu (RTO) od 33 GHz, 80 GSA/s (Keysight DSOZ634A). Drugi ECL izvor sa širinom linije od 100 kHz koristi se kao lokalni oscilator (LO). Zbog rada odašiljača u uvjetima jedne polarizacije, za analogno-digitalnu pretvorbu (ADC) koriste se samo dva elektronička kanala. Podaci se snimaju na RTO i obrađuju pomoću izvanmrežnog digitalnog procesora signala (DSP).
Kao što je prikazano na slici 2 (c), IQ modulator je testiran korištenjem QPSK modulacijskog formata od 40 Gbaud do 75 Gbaud. Rezultati pokazuju da pod uvjetima 7%-tne tvrde korekcije pogrešaka unaprijed (HD-FEC), brzina može doseći 140 Gb/s; pod uvjetom 20%-tne meke korekcije pogrešaka unaprijed (SD-FEC), brzina može doseći 150 Gb/s. Dijagram konstelacije pri 70 Gbaud prikazan je na slici 2 (d). Rezultat je ograničen propusnošću osciloskopa od 33 GHz, što je ekvivalentno propusnosti signala od približno 66 Gbaud.
Kao što je prikazano na slici 2 (b), struktura s tri kraka može učinkovito potisnuti optičke nosioce s brzinom zasljepljivanja većom od 30 dB. Ova struktura ne zahtijeva potpuno potiskivanje nosioca i može se koristiti i u prijemnicima kojima su potrebni tonovi nosioca za oporavak signala, kao što su prijemnici Kramer Kronig (KK). Nosilac se može podesiti pomoću faznog pomicača središnjeg kraka kako bi se postigao željeni omjer nosioca i bočnog pojasa (CSR).
Prednosti i primjene
U usporedbi s tradicionalnim Mach-Zehnderovim modulatorima (MZM modulatori) i drugih optoelektroničkih IQ modulatora na bazi silicija, predloženi silicijski IQ modulator ima višestruke prednosti. Prvo, kompaktne je veličine, više od 10 puta manji od IQ modulatora temeljenih naMach-Zehnderovi modulatori(isključujući spojne pločice), čime se povećava gustoća integracije i smanjuje površina čipa. Drugo, dizajn složenih elektroda ne zahtijeva upotrebu terminalnih otpornika, čime se smanjuje kapacitet uređaja i energija po bitu. Treće, sposobnost supresije nosioca maksimizira smanjenje snage prijenosa, dodatno poboljšavajući energetsku učinkovitost.
Osim toga, optička propusnost GeSi EAM-a je vrlo široka (preko 30 nanometara), što eliminira potrebu za višekanalnim krugovima i procesorima za upravljanje povratnom vezom za stabilizaciju i sinkronizaciju rezonancije mikrovalnih modulatora (MRM), čime se pojednostavljuje dizajn.
Ovaj kompaktni i učinkoviti IQ modulator vrlo je prikladan za sljedeće generacije, veliki broj kanala i male koherentne primopredajnike u podatkovnim centrima, omogućujući veći kapacitet i energetski učinkovitiju optičku komunikaciju.
Silicijski IQ modulator s potisnutim nosiocem pokazuje izvrsne performanse, s brzinom prijenosa podataka do 150 Gb/s pod uvjetima SD-FEC od 20%. Njegova kompaktna struktura s 3 kraka temeljena na GeSi EAM-u ima značajne prednosti u smislu zauzimanja prostora, energetske učinkovitosti i jednostavnosti dizajna. Ovaj modulator ima mogućnost potiskivanja ili podešavanja optičkog nosioca i može se integrirati s koherentnom detekcijom i Kramer Kronig (KK) shemama detekcije za višelinijske kompaktne koherentne primopredajnike. Pokazana postignuća potiču realizaciju visoko integriranih i učinkovitih optičkih primopredajnika kako bi se zadovoljila rastuća potražnja za komunikacijom podataka velikog kapaciteta u podatkovnim centrima i drugim područjima.
Vrijeme objave: 21. siječnja 2025.