Optoelectronic compact pe bază de siliciuModulator de IQpentru comunicare coerentă de mare viteză
Cererea tot mai mare de rate de transmisie a datelor și de transceivere mai eficiente din punct de vedere energetic în centrele de date a impulsionat dezvoltarea de sisteme compacte de înaltă performanță.modulatoare opticeTehnologia optoelectronică pe bază de siliciu (SiPh) a devenit o platformă promițătoare pentru integrarea diverselor componente fotonice pe un singur cip, permițând soluții compacte și rentabile. Acest articol va explora un nou modulator IQ pe siliciu cu supresie a purtătorului, bazat pe EAM-uri GeSi, care poate funcționa la o frecvență de până la 75 Gbaud.
Designul și caracteristicile dispozitivului
Modulatorul IQ propus adoptă o structură compactă cu trei brațe, așa cum se arată în Figura 1 (a). Este compus din trei electroni electroni GeSi și trei schimbători de fază termo-optici, adoptând o configurație simetrică. Lumina de intrare este cuplată în cip printr-un cuplor cu rețea (GC) și împărțită uniform în trei căi printr-un interferometru multimod 1×3 (MMI). După ce trece prin modulator și schimbător de fază, lumina este recombinată de un alt MMI 1×3 și apoi cuplată la o fibră monomod (SSMF).
Figura 1: (a) Imagine microscopică a modulatorului IQ; (b) – (d) EO S21, spectrul raportului de extincție și transmitanța unui singur EAM GeSi; (e) Diagramă schematică a modulatorului IQ și a fazei optice corespunzătoare a schimbătorului de fază; (f) Reprezentarea supresării purtătorului pe planul complex. După cum se arată în Figura 1 (b), EAM GeSi are o lățime de bandă electro-optică largă. Figura 1 (b) a măsurat parametrul S21 al unei singure structuri de testare EAM GeSi utilizând un analizor de componente optice (LCA) de 67 GHz. Figurile 1 (c) și 1 (d) prezintă, respectiv, spectrele raportului de extincție statică (ER) la diferite tensiuni continue și transmisia la o lungime de undă de 1555 nanometri.
După cum se arată în Figura 1 (e), principala caracteristică a acestui design este capacitatea de a suprima purtătoarele optice prin reglarea schimbătorului de fază integrat în brațul din mijloc. Diferența de fază dintre brațele superior și inferior este de π/2, utilizată pentru reglarea complexă, în timp ce diferența de fază dintre brațul din mijloc este de -3 π/4. Această configurație permite interferențe distructive asupra purtătoarei, așa cum se arată în planul complex din Figura 1 (f).
Configurația experimentală și rezultatele
Configurația experimentală de mare viteză este prezentată în Figura 2 (a). Un generator de forme de undă arbitrare (Keysight M8194A) este utilizat ca sursă de semnal, iar două amplificatoare RF adaptate în fază de 60 GHz (cu conectori în T de polarizare integrati) sunt utilizate ca drivere de modulator. Tensiunea de polarizare a GeSi EAM este de -2,5 V, iar un cablu RF adaptat în fază este utilizat pentru a minimiza nepotrivirea electrică de fază dintre canalele I și Q.
Figura 2: (a) Configurație experimentală de mare viteză, (b) Suprimarea purtătorului la 70 Gbaud, (c) Rata de eroare și rata de transfer de date, (d) Constelație la 70 Gbaud. Se utilizează un laser cu cavitate externă (ECL) comercial cu o lățime de linie de 100 kHz, o lungime de undă de 1555 nm și o putere de 12 dBm ca purtătoare optică. După modulație, semnalul optic este amplificat folosind oamplificator cu fibră dopat cu erbiu(EDFA) pentru a compensa pierderile de cuplare pe cip și pierderile de inserție ale modulatorului.
La capătul receptorului, un analizor de spectru optic (OSA) monitorizează spectrul semnalului și suprimarea purtătorilor, așa cum se arată în Figura 2 (b) pentru un semnal de 70 Gbaud. Se utilizează un receptor coerent cu polarizare dublă pentru a recepționa semnale, care constă dintr-un mixer optic de 90 de grade și patruFotodiode echilibrate de 40 GHz...și este conectat la un osciloscop în timp real (RTO) de 33 GHz și 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). A doua sursă ECL cu o lățime de linie de 100 kHz este utilizată ca oscilator local (LO). Datorită faptului că emițătorul funcționează în condiții de polarizare unică, doar două canale electronice sunt utilizate pentru conversia analog-digitală (ADC). Datele sunt înregistrate pe RTO și procesate folosind un procesor de semnal digital (DSP) offline.
După cum se arată în Figura 2 (c), modulatorul IQ a fost testat utilizând formatul de modulație QPSK de la 40 Gbaud la 75 Gbaud. Rezultatele indică faptul că în condiții de corecție directă a erorilor (HD-FEC) de 7%, rata poate ajunge la 140 Gb/s; în condiții de corecție directă a erorilor (SD-FEC) de 20%, viteza poate ajunge la 150 Gb/s. Diagrama constelației la 70 Gbaud este prezentată în Figura 2 (d). Rezultatul este limitat de lățimea de bandă a osciloscopului de 33 GHz, ceea ce este echivalent cu o lățime de bandă a semnalului de aproximativ 66 Gbaud.
După cum se arată în Figura 2 (b), structura cu trei brațe poate suprima eficient purtătoarele optice cu o rată de suprimare care depășește 30 dB. Această structură nu necesită suprimarea completă a purtătoarei și poate fi utilizată și în receptoare care necesită tonuri de purtătoare pentru recuperarea semnalelor, cum ar fi receptoarele Kramer Kronig (KK). Purtătoarea poate fi ajustată prin intermediul unui schimbător de fază cu braț central pentru a obține raportul dorit dintre purtătoare și bandă laterală (CSR).
Avantaje și aplicații
Comparativ cu modulatoarele Mach-Zehnder tradiționale (Modulatoare MZM) și alți modulatori IQ optoelectronici pe bază de siliciu, modulatorul IQ pe siliciu propus are multiple avantaje. În primul rând, este compact ca dimensiuni, de peste 10 ori mai mic decât modulatorii IQ bazați peModulatoare Mach-Zehnder(excluzând plăcuțele de legătură), crescând astfel densitatea de integrare și reducând suprafața cipului. În al doilea rând, designul electrozilor suprapunși nu necesită utilizarea rezistențelor terminale, reducând astfel capacitatea dispozitivului și energia pe bit. În al treilea rând, capacitatea de suprimare a purtătorului maximizează reducerea puterii de transmisie, îmbunătățind și mai mult eficiența energetică.
În plus, lățimea de bandă optică a GeSi EAM este foarte largă (peste 30 nanometri), eliminând necesitatea unor circuite de control cu feedback multicanal și a procesoarelor pentru stabilizarea și sincronizarea rezonanței modulatoarelor de microunde (MRM), simplificând astfel designul.
Acest modulator IQ compact și eficient este foarte potrivit pentru transceivere de generație următoare, cu număr mare de canale și coerente mici, în centrele de date, permițând o capacitate mai mare și o comunicare optică mai eficientă din punct de vedere energetic.
Modulatorul IQ pe siliciu cu suprimare a purtătoarei prezintă performanțe excelente, cu o rată de transmisie a datelor de până la 150 Gb/s în condiții de 20% SD-FEC. Structura sa compactă cu 3 brațe, bazată pe GeSi EAM, prezintă avantaje semnificative în ceea ce privește amprenta, eficiența energetică și simplitatea designului. Acest modulator are capacitatea de a suprima sau ajusta purtătoarea optică și poate fi integrat cu scheme de detecție coerentă și detecție Kramer Kronig (KK) pentru transceivere coerente compacte multilinie. Realizările demonstrate conduc la realizarea unor transceivere optice extrem de integrate și eficiente pentru a satisface cererea tot mai mare de comunicații de date de mare capacitate în centrele de date și în alte domenii.
Data publicării: 21 ian. 2025