Компактен оптоелектронен елемент на силициева основаIQ модулаторза високоскоростна кохерентна комуникация
Нарастващото търсене на по-високи скорости на предаване на данни и по-енергийно ефективни приемо-предаватели в центровете за данни е довело до разработването на компактни високопроизводителни...оптични модулаториСилициевата оптоелектронна технология (SiPh) се превърна в обещаваща платформа за интегриране на различни фотонни компоненти върху един чип, което позволява компактни и рентабилни решения. Тази статия ще изследва нов силициев IQ модулатор с потискане на носещите честоти, базиран на GeSi EAM, който може да работи с честота до 75 Gbaud.
Дизайн и характеристики на устройството
Предложеният IQ модулатор използва компактна трираменна структура, както е показано на Фигура 1 (а). Състои се от три GeSi EAM и три термооптични фазообъркача, приемащи симетрична конфигурация. Входната светлина се подава към чипа чрез решетъчен разклонител (GC) и се разделя равномерно на три пътя чрез 1×3 многомодов интерферометър (MMI). След преминаване през модулатора и фазообъркача, светлината се рекомбинира от друг 1×3 MMI и след това се свързва с едномодово влакно (SSMF).
Фигура 1: (a) Микроскопско изображение на IQ модулатор; (b) – (d) EO S21, спектър на коефициента на екстинкция и пропускане на единичен GeSi EAM; (e) Схематична диаграма на IQ модулатора и съответната оптична фаза на фазорегулатора; (f) Представяне на потискането на носещите честоти в комплексната равнина. Както е показано на Фигура 1 (b), GeSi EAM има широка електрооптична честотна лента. Фигура 1 (b) измерва параметъра S21 на единична тестова структура на GeSi EAM, използвайки 67 GHz оптичен компонентен анализатор (LCA). Фигури 1 (c) и 1 (d) съответно изобразяват спектрите на статичното коефициент на екстинкция (ER) при различни DC напрежения и пропускането при дължина на вълната от 1555 нанометра.
Както е показано на Фигура 1 (д), основната характеристика на този дизайн е възможността за потискане на оптичните носители чрез регулиране на интегрирания фазорегулатор в средното рамо. Фазовата разлика между горното и долното рамо е π/2, използвана за комплексна настройка, докато фазовата разлика между средното рамо е -3 π/4. Тази конфигурация позволява деструктивна интерференция на носителя, както е показано в комплексната равнина на Фигура 1 (е).
Експериментална настройка и резултати
Високоскоростната експериментална установка е показана на Фигура 2 (а). Като източник на сигнал се използва генератор на произволна форма на вълната (Keysight M8194A), а като драйвери на модулатори се използват два 60 GHz фазово съгласувани RF усилвателя (с вградени тройници за отклонение). Напрежението на отклонение на GeSi EAM е -2,5 V, а за минимизиране на електрическото фазово несъответствие между I и Q каналите се използва фазово съгласуван RF кабел.
Фигура 2: (a) Високоскоростна експериментална установка, (b) Потискане на носещата честота при 70 Gbaud, (c) Процент на грешки и скорост на предаване на данни, (d) Констелация при 70 Gbaud. Използвайте търговски лазер с външен резонатор (ECL) с ширина на линията 100 kHz, дължина на вълната 1555 nm и мощност 12 dBm като оптичен носител. След модулация, оптичният сигнал се усилва с помощта наусилвател с влакна, легиран с ербий(EDFA) за компенсиране на загубите от свързване на чипа и загубите от вмъкване на модулатора.
В приемащия край, оптичен спектрален анализатор (OSA) следи спектъра на сигнала и потискането на носещата честота, както е показано на Фигура 2 (b) за сигнал със скорост 70 Gbaud. За приемане на сигнали се използва кохерентен приемник с двойна поляризация, който се състои от 90-градусов оптичен смесител и четири...40 GHz балансирани фотодиодии е свързан към 33 GHz, 80 GSa/s осцилоскоп в реално време (RTO) (Keysight DSOZ634A). Вторият ECL източник с ширина на линията 100 kHz се използва като локален осцилатор (LO). Поради работата на предавателя при условия на единична поляризация, само два електронни канала се използват за аналогово-цифрово преобразуване (ADC). Данните се записват на RTO и се обработват с помощта на офлайн цифров сигнален процесор (DSP).
Както е показано на Фигура 2 (c), IQ модулаторът е тестван с QPSK модулационен формат от 40 Gbaud до 75 Gbaud. Резултатите показват, че при 7% твърда корекция на грешките (HD-FEC), скоростта може да достигне 140 Gb/s; При 20% мека корекция на грешките (SD-FEC), скоростта може да достигне 150 Gb/s. Диаграмата на съзвездието при 70 Gbaud е показана на Фигура 2 (d). Резултатът е ограничен от честотната лента на осцилоскопа от 33 GHz, което е еквивалентно на честотна лента на сигнала от приблизително 66 Gbaud.
Както е показано на Фигура 2 (b), трираменната структура може ефективно да потисне оптичните носещи честоти с коефициент на заглушаване над 30 dB. Тази структура не изисква пълно потискане на носещата честота и може да се използва и в приемници, които изискват носещи тонове за възстановяване на сигналите, като например приемници Kramer Kronig (KK). Носещата честота може да се регулира чрез централен фазорегулатор на рамо, за да се постигне желаното съотношение носеща към странична лента (CSR).
Предимства и приложения
В сравнение с традиционните модулатори на Мах-Зендер (MZM модулатори) и други силициеви оптоелектронни IQ модулатори, предложеният силициев IQ модулатор има множество предимства. Първо, той е компактен по размер, повече от 10 пъти по-малък от IQ модулаторите, базирани наМах-Цендерови модулатори(с изключение на свързващите контактни площадки), като по този начин се увеличава плътността на интеграция и се намалява площта на чипа. Второ, дизайнът с подредени електроди не изисква използването на крайни резистори, като по този начин се намалява капацитетът на устройството и енергията на бит. Трето, способността за потискане на носещите честоти максимизира намаляването на предавателната мощност, като допълнително подобрява енергийната ефективност.
Освен това, оптичната честотна лента на GeSi EAM е много широка (над 30 нанометра), което елиминира необходимостта от многоканални схеми за управление с обратна връзка и процесори за стабилизиране и синхронизиране на резонанса на микровълновите модулатори (MRM), като по този начин опростява дизайна.
Този компактен и ефикасен IQ модулатор е изключително подходящ за следващо поколение, голям брой канали и малки кохерентни приемо-предаватели в центрове за данни, което позволява по-висок капацитет и по-енергийно ефективна оптична комуникация.
Силициевият IQ модулатор с потискане на носещата честота показва отлична производителност, със скорост на предаване на данни до 150 Gb/s при условия на 20% SD-FEC. Неговата компактна 3-раменна структура, базирана на GeSi EAM, има значителни предимства по отношение на размер, енергийна ефективност и простота на дизайна. Този модулатор има способността да потиска или регулира оптичния носещ честотен диапазон и може да бъде интегриран със схеми за кохерентно детектиране и детектиране Kramer Kronig (KK) за многолинейни компактни кохерентни трансивъри. Демонстрираните постижения водят до реализацията на високо интегрирани и ефективни оптични трансивъри, за да се отговори на нарастващото търсене на висококапацитетна комуникация на данни в центрове за данни и други области.
Време на публикуване: 21 януари 2025 г.