Компактна оптоелектроника на бази силицијумаМодулатор интелигенцијеза брзу кохерентну комуникацију
Растућа потражња за већим брзинама преноса података и енергетски ефикаснијим примопредајницима у дата центрима подстакла је развој компактних високоперформансних...оптички модулаториОптоелектронска технологија заснована на силицијуму (SiPh) постала је обећавајућа платформа за интеграцију различитих фотонских компоненти на један чип, омогућавајући компактна и исплатива решења. Овај чланак ће истражити нови силицијумски IQ модулатор са потиснутим носачем набоја, базиран на GeSi EAM-овима, који може да ради на фреквенцији до 75 Gbaud.
Дизајн и карактеристике уређаја
Предложени IQ модулатор усваја компактну структуру са три крака, као што је приказано на слици 1 (а). Састоји се од три GeSi EAM и три термооптичка фазна померача, усвајајући симетричну конфигурацију. Улазна светлост се доводи у чип преко решеткастог спрежника (GC) и равномерно дели на три путање преко 1×3 мултимодног интерферометара (MMI). Након проласка кроз модулатор и фазни померач, светлост се рекомбинује помоћу другог 1×3 MMI, а затим се повезује са једномодним влакном (SSMF).
Слика 1: (а) Микроскопска слика IQ модулатора; (б) – (д) EO S21, спектар односа екстинкције и трансмисија једног GeSi EAM-а; (е) Шематски дијаграм IQ модулатора и одговарајуће оптичке фазе фазног померача; (ф) Репрезентација супресије носилаца на комплексној равни. Као што је приказано на слици 1 (б), GeSi EAM има широк електрооптички пропусни опсег. Слика 1 (б) мери параметар S21 једне GeSi EAM тест структуре користећи анализатор оптичких компоненти (LCA) од 67 GHz. Слике 1 (ц) и 1 (д) респективно приказују спектре статичког односа екстинкције (ER) при различитим једносмерним напонима и трансмисију 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 комплексно подешавање, док је фазна разлика између средњег крака -3 π/4. Ова конфигурација омогућава деструктивну интерференцију са носачем, као што је приказано у комплексној равни слике 1 (ф).
Експериментална поставка и резултати
Експериментална поставка велике брзине приказана је на слици 2 (а). Генератор произвољних таласних облика (Keysight M8194A) користи се као извор сигнала, а два фазно усклађена РФ појачала од 60 GHz (са интегрисаним Т-колонкама за преднапон) користе се као драјвери модулатора. Напон преднапона GeSi EAM-а је -2,5 V, а фазно усклађени РФ кабл се користи да би се минимизирало електрично неусклађење фазе између I и Q канала.
Слика 2: (а) Експериментална поставка велике брзине, (б) Потискивање носача на 70 Gbaud, (ц) Стопа грешака и брзина преноса података, (д) Констелација на 70 Gbaud. Користите комерцијални екстерни ласер са резонатором (ECL) са ширином линије од 100 kHz, таласном дужином од 1555 nm и снагом од 12 dBm као оптички носач. Након модулације, оптички сигнал се појачава помоћупојачавач са влакнима допираним ербијумом(EDFA) за компензацију губитака спрезања на чипу и губитака уметања модулатора.
На пријемном крају, оптички анализатор спектра (OSA) прати спектар сигнала и потискивање носача, као што је приказано на слици 2 (б) за сигнал од 70 Gbaud. За пријем сигнала користите кохерентни пријемник са двоструком поларизацијом, који се састоји од оптичког мешача од 90 степени и четири...Балансиране фотодиоде од 40 GHz, и повезан је са осцилоскопом у реалном времену (RTO) од 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Други ECL извор са ширином линије од 100 kHz користи се као локални осцилатор (LO). Због рада предајника у условима једне поларизације, само два електронска канала се користе за аналогно-дигиталну конверзију (ADC). Подаци се снимају на RTO-у и обрађују помоћу офлајн дигиталног сигналног процесора (DSP).
Као што је приказано на слици 2 (ц), IQ модулатор је тестиран коришћењем QPSK модулационог формата од 40 Gbaud до 75 Gbaud. Резултати показују да под условима 7% чврсте корекције грешака унапред (HD-FEC), брзина може достићи 140 Gb/s; под условом 20% меке корекције грешака унапред (SD-FEC), брзина може достићи 150 Gb/s. Дијаграм констелације при 70 Gbaud је приказан на слици 2 (д). Резултат је ограничен пропусним опсегом осцилоскопа од 33 GHz, што је еквивалентно пропусном опсегу сигнала од приближно 66 Gbaud.
Као што је приказано на слици 2 (б), структура са три крака може ефикасно потиснути оптичке носаче са стопом затамњења већом од 30 dB. Ова структура не захтева потпуно потискивање носача и може се користити и у пријемницима којима су потребни тонови носача за опоравак сигнала, као што су пријемници Kramer Kronig (KK). Носач се може подесити помоћу фазног померача централног крака како би се постигао жељени однос носача и бочног опсега (CSR).
Предности и примене
У поређењу са традиционалним Мах-Зендеровим модулаторима (МЗМ модулатори) и других оптоелектронских IQ модулатора на бази силицијума, предложени силицијумски IQ модулатор има вишеструке предности. Прво, компактне је величине, више од 10 пута мањи од IQ модулатора заснованих наМах-Цендерови модулатори(искључујући контактне плочице), 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, могућност супресије носача максимизира смањење снаге преноса, додатно побољшавајући енергетску ефикасност.
Поред тога, оптички пропусни опсег GeSi EAM-а је веома широк (преко 30 нанометара), што елиминише потребу за вишеканалним колима за управљање повратном спрегом и процесорима за стабилизацију и синхронизацију резонанције микроталасних модулатора (MRM), чиме се поједностављује дизајн.
Овај компактни и ефикасни IQ модулатор је веома погодан за следеће генерације, велики број канала и мале кохерентне примопредајнике у дата центрима, омогућавајући већи капацитет и енергетски ефикаснију оптичку комуникацију.
Силицијумски IQ модулатор са потискивањем носача показује одличне перформансе, са брзином преноса података до 150 Gb/s под условима SD-FEC од 20%. Његова компактна структура са 3 крака заснована на GeSi EAM-у има значајне предности у погледу заузимања простора, енергетске ефикасности и једноставности дизајна. Овај модулатор има могућност потискивања или подешавања оптичког носача и може се интегрисати са кохерентном детекцијом и Kramer Kronig (KK) шемама детекције за вишелинијске компактне кохерентне примопредајнике. Доказана 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 областима.
Време објаве: 21. јануар 2025.