Za brzu koherentnu komunikaciju, kompaktni optoelektronski IQ modulator na bazi silicija

Kompaktna optoelektronika na bazi silicijaModulator inteligencijeza brzu koherentnu komunikaciju
Rastuća potražnja za većim brzinama prijenosa podataka i energetski efikasnijim primopredajnicima u podatkovnim centrima potaknula je razvoj kompaktnih visokoperformansnih...optički modulatoriOptoelektronska tehnologija na bazi silicija (SiPh) postala je obećavajuća platforma za integraciju različitih fotonskih komponenti na jedan čip, omogućavajući kompaktna i isplativa rješenja. Ovaj članak će istražiti novi silicijumski IQ modulator sa potiskivanjem nosioca, 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 fazna pomicača, usvajajući simetričnu konfiguraciju. Ulazna svjetlost se dovodi u čip preko rešetkastog spojnika (GC) i ravnomjerno dijeli na tri putanje putem 1×3 multimodnog interferometra (MMI). Nakon prolaska kroz modulator i fazni pomicač, svjetlost se rekombinuje 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 pomjerača; (f) Prikaz supresije nosioca na kompleksnoj ravni. Kao što je prikazano na slici 1 (b), GeSi EAM ima širok elektrooptički propusni opseg. Slika 1 (b) prikazuje mjerenje parametra S21 jedne GeSi EAM testne strukture korištenjem 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 talasnoj dužini od 1555 nanometara.
Kao što je prikazano na Slici 1 (e), glavna karakteristika ovog dizajna je mogućnost potiskivanja optičkih nosilaca podešavanjem integriranog faznog pomjerača 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 omogućava destruktivnu interferenciju nosioca, kao što je prikazano u kompleksnoj ravni na Slici 1 (f).
Eksperimentalna postavka i rezultati
Eksperimentalna postavka velike brzine prikazana je na Slici 2 (a). Generator proizvoljnih valnih oblika (Keysight M8194A) koristi se kao izvor signala, a dva RF pojačala sa faznim usklađivanjem od 60 GHz (sa integrisanim T-konektorima) koriste se kao drajveri modulatora. Napon prednapona GeSi EAM-a je -2,5 V, a RF kabl sa faznim usklađivanjem koristi se za minimiziranje električnog neusklađivanja faza između I i Q kanala.
Slika 2: (a) Eksperimentalna postavka velike brzine, (b) Potiskivanje nosioca na 70 Gbauda, ​​(c) Stopa grešaka i brzina prenosa podataka, (d) Konstelacija na 70 Gbauda. Koristite komercijalni laser sa eksternom šupljinom (ECL) sa širinom linije od 100 kHz, talasnom dužinom od 1555 nm i snagom od 12 dBm kao optički nosilac. Nakon modulacije, optički signal se pojačava pomoćupojačalo s vlaknima dopiranim erbijem(EDFA) za kompenzaciju gubitaka uslijed spajanja 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 koristi se koherentni prijemnik dvostruke polarizacije, koji se sastoji od optičkog miksera od 90 stepeni i četiri...Balansirane fotodiode od 40 GHz, i povezan je na osciloskop u realnom 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 predajnika u uslovima jedne polarizacije, samo dva elektronska kanala se koriste za analogno-digitalnu konverziju (ADC). Podaci se snimaju na RTO i obrađuju pomoću offline digitalnog signalnog procesora (DSP).
Kao što je prikazano na slici 2 (c), IQ modulator je testiran korištenjem QPSK modulacijskog formata od 40 Gbauda do 75 Gbauda. Rezultati pokazuju da pod uslovima 7% tvrde korekcije grešaka unaprijed (HD-FEC), brzina može dostići 140 Gb/s; pod uslovima 20% meke korekcije grešaka unaprijed (SD-FEC), brzina može dostići 150 Gb/s. Dijagram konstelacije pri 70 Gbauda prikazan je na slici 2 (d). Rezultat je ograničen propusnim opsegom osciloskopa od 33 GHz, što je ekvivalentno propusnom opsegu signala od približno 66 Gbauda.

Kao što je prikazano na Slici 2 (b), struktura s tri kraka može efikasno potisnuti optičke nosioce sa stopom 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 pomjerača centralnog kraka kako bi se postigao željeni odnos nosioca i bočnog opsega (CSR).
Prednosti i primjene
U poređenju sa tradicionalnim Mach-Zehnder modulatorima (MZM modulatori) i drugih optoelektronskih IQ modulatora na bazi silicija, predloženi silicijumski IQ modulator ima višestruke prednosti. Prvo, kompaktne je veličine, više od 10 puta manji od IQ modulatora baziranih naMach-Zehnderovi modulatori(isključujući kontaktne pločice), čime se povećava gustoća integracije i smanjuje površina čipa. Drugo, dizajn naslaganih 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 efikasnost.
Osim toga, optički propusni opseg GeSi EAM-a je vrlo širok (preko 30 nanometara), što eliminira potrebu za višekanalnim kolima za kontrolu povratne sprege i procesorima za stabilizaciju i sinhronizaciju rezonancije mikrovalnih modulatora (MRM), čime se pojednostavljuje dizajn.
Ovaj kompaktni i efikasni IQ modulator je izuzetno pogodan za sljedeće generacije, veliki broj kanala i male koherentne primopredajnike u podatkovnim centrima, omogućavajući veći kapacitet i energetski efikasniju optičku komunikaciju.
Silicijumski IQ modulator sa potisnutim nosiocem pokazuje odlične performanse, sa brzinom prijenosa podataka do 150 Gb/s pod uslovima 20% SD-FEC. Njegova kompaktna struktura sa 3 kraka, bazirana na GeSi EAM-u, ima značajne prednosti u smislu zauzimanja prostora, energetske efikasnosti i jednostavnosti dizajna. Ovaj modulator ima mogućnost potiskivanja ili podešavanja optičkog nosioca i može se integrisati sa koherentnom detekcijom i Kramer Kronig (KK) shemama detekcije za višelinijske kompaktne koherentne primopredajnike. Demonstrirana dostignuća pokreću realizaciju visoko integrisanih i efikasnih optičkih primopredajnika kako bi se zadovoljila rastuća potražnja za komunikacijom podataka velikog kapaciteta u data centrima i drugim oblastima.