Компактна оптоелектроника на бази силицијумаИК модулаторза кохерентну комуникацију велике брзине
Све већа потражња за вишим брзинама преноса података и енергетски ефикаснијим примопредајницима у центрима података довела је до развоја компактних уређаја високих перформанси.оптички модулатори. Оптоелектронска технологија заснована на силицијуму (СиПх) постала је обећавајућа платформа за интеграцију различитих фотонских компоненти у један чип, омогућавајући компактна и исплатива решења. Овај чланак ће истражити нови силицијумски ИК модулатор са потиснутим носиоцима заснован на ГеСи ЕАМ-овима, који може да ради на фреквенцији до 75 Гбауд.
Дизајн и карактеристике уређаја
Предложени ИК модулатор усваја компактну структуру са три крака, као што је приказано на слици 1 (а). Састоји се од три ГеСи ЕАМ и три термо оптичка фазна померача, усвајајући симетричну конфигурацију. Улазна светлост је спојена у чип преко решеткастог спојника (ГЦ) и равномерно подељена на три пута преко 1×3 мултимодног интерферометра (ММИ). Након проласка кроз модулатор и фазни померач, светлост се рекомбинује са још једним 1×3 ММИ, а затим се спаја са једномодним влакном (ССМФ).
Слика 1: (а) Микроскопска слика ИК модулатора; (б) – (д) ЕО С21, спектар односа екстинкције и пропустљивост једног ГеСи ЕАМ; (е) Шематски дијаграм ИК модулатора и одговарајуће оптичке фазе фазног померача; (ф) Репрезентација потискивања носиоца на комплексној равни. Као што је приказано на слици 1 (б), ГеСи ЕАМ има широк електро-оптички пропусни опсег. Слика 1 (б) мери С21 параметар једне ГеСи ЕАМ тест структуре коришћењем анализатора оптичких компоненти (ЛЦА) од 67 ГХз. Слике 1 (ц) и 1 (д) респективно приказују спектре статичке екстинкције (ЕР) при различитим једносмерним напонима и пренос на таласној дужини од 1555 нанометара.
Као што је приказано на слици 1 (е), главна карактеристика овог дизајна је могућност сузбијања оптичких носача подешавањем интегрисаног фазног померача у средњем краку. Фазна разлика између горњег и доњег крака је π/2, користи се за сложено подешавање, док је фазна разлика између средњег крака -3 π/4. Ова конфигурација дозвољава деструктивне сметње носачу, као што је приказано у комплексној равни на слици 1 (ф).
Експериментална поставка и резултати
Експериментална поставка велике брзине приказана је на слици 2 (а). Генератор произвољног таласног облика (Кеисигхт М8194А) се користи као извор сигнала, а два фазно усклађена РФ појачала од 60 ГХз (са интегрисаним биас теес) се користе као драјвери модулатора. Биас напон ГеСи ЕАМ-а је -2,5 В, а фазно усклађени РФ кабл се користи да се минимизира електрична неусклађеност фаза између И и К канала.
Слика 2: (а) Експериментална поставка велике брзине, (б) Потискивање носиоца при 70 Гбауд, (ц) Стопа грешке и брзина преноса података, (д) Констелација на 70 Гбауд. Користите комерцијални ласер са екстерном шупљином (ЕЦЛ) са ширином линије од 100 кХз, таласном дужином од 1555 нм и снагом од 12 дБм као оптички носач. Након модулације, оптички сигнал се појачава помоћуербијум-допирано влакно појачало(ЕДФА) за компензацију губитака спојених на чипу и губитака у уметању модулатора.
На пријемној страни, оптички анализатор спектра (ОСА) прати спектар сигнала и потискивање носиоца, као што је приказано на слици 2 (б) за сигнал од 70 Гбауд. Користите кохерентни пријемник са двоструком поларизацијом за пријем сигнала, који се састоји од оптичког миксера од 90 степени и четири40 ГХз балансиране фотодиоде, и повезан је са 33 ГХз, 80 ГСа/с осцилоскопом у реалном времену (РТО) (Кеисигхт ДСОЗ634А). Други ЕЦЛ извор са ширином линије од 100 кХз се користи као локални осцилатор (ЛО). Због тога што предајник ради у условима једне поларизације, само два електронска канала се користе за аналогно-дигиталну конверзију (АДЦ). Подаци се снимају на РТО и обрађују помоћу офлајн процесора дигиталних сигнала (ДСП).
Као што је приказано на слици 2 (ц), ИК модулатор је тестиран коришћењем КПСК модулационог формата од 40 Гбауд до 75 Гбауд. Резултати показују да под условима 7% тешке одлуке унапред исправљања грешака (ХД-ФЕЦ), брзина може да достигне 140 Гб/с; Под условом 20% меке корекције грешке унапред (СД-ФЕЦ), брзина може да достигне 150 Гб/с. Дијаграм констелације на 70 Гбауд је приказан на слици 2 (д). Резултат је ограничен пропусним опсегом осцилоскопа од 33 ГХз, што је еквивалентно ширини сигнала од приближно 66 Гбауд.
Као што је приказано на слици 2 (б), структура са три крака може ефикасно да потисне оптичке носиоце са стопом затамњења која прелази 30 дБ. Ова структура не захтева потпуно потискивање носиоца и може се користити и у пријемницима који захтевају тонове носиоца да би повратили сигнале, као што су Крамер Крониг (КК) пријемници. Носач се може подесити преко фазног померача централног крака да би се постигао жељени однос носиоца и бочне траке (ЦСР).
Предности и примене
У поређењу са традиционалним Мацх Зехндер модулаторима (МЗМ модулатори) и других оптоелектронских ИК модулатора на бази силицијума, предложени силицијумски ИК модулатор има вишеструке предности. Прво, компактне је величине, више од 10 пута мањи од ИК модулатора заснованих наМацх Зехндер модулатори(искључујући јастучиће за везивање), чиме се повећава густина интеграције и смањује површина чипа. Друго, дизајн наслаганих електрода не захтева употребу терминалних отпорника, чиме се смањује капацитет уређаја и енергија по биту. Треће, способност потискивања носиоца максимизира смањење преносне снаге, додатно побољшавајући енергетску ефикасност.
Поред тога, оптички пропусни опсег ГеСи ЕАМ-а је веома широк (преко 30 нанометара), елиминишући потребу за вишеканалним повратним контролним колима и процесорима да стабилизују и синхронизују резонанцију микроталасних модулатора (МРМ), чиме се поједностављује дизајн.
Овај компактни и ефикасни ИК модулатор је веома погодан за следећу генерацију, велики број канала и мале кохерентне примопредајнике у центрима података, омогућавајући већи капацитет и енергетски ефикаснију оптичку комуникацију.
Силицијумски ИК модулатор са потиснутим носиоцем показује одличне перформансе, са брзином преноса података до 150 Гб/с под 20% СД-ФЕЦ условима. Његова компактна структура са 3 крака заснована на ГеСи ЕАМ-у има значајне предности у погледу површине, енергетске ефикасности и једноставности дизајна. Овај модулатор има могућност да потисне или прилагоди оптички носач и може се интегрисати са кохерентном детекцијом и Крамер Крониг (КК) шемама детекције за вишелинијске компактне кохерентне примопредајнике. Показана достигнућа покрећу реализацију високо интегрисаних и ефикасних оптичких примопредајника како би се задовољила растућа потражња за комуникацијом података великог капацитета у центрима података и другим пољима.
Време поста: Јан-21-2025