Untuk komunikasi koheren berkecepatan tinggi, modulator IQ optoelektronik berbasis silikon yang ringkas.

Optoelektronik berbasis silikon yang ringkasModulator IQuntuk komunikasi koheren berkecepatan tinggi
Meningkatnya permintaan akan kecepatan transmisi data yang lebih tinggi dan transceiver yang lebih hemat energi di pusat data telah mendorong pengembangan perangkat berkinerja tinggi yang ringkas.modulator optikTeknologi optoelektronik berbasis silikon (SiPh) telah menjadi platform yang menjanjikan untuk mengintegrasikan berbagai komponen fotonik ke dalam satu chip, sehingga memungkinkan solusi yang ringkas dan hemat biaya. Artikel ini akan membahas modulator IQ silikon penekan pembawa baru berbasis EAM GeSi, yang dapat beroperasi pada frekuensi hingga 75 Gbaud.
Desain dan karakteristik perangkat
Modulator IQ yang diusulkan mengadopsi struktur tiga lengan yang kompak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (a). Terdiri dari tiga EAM GeSi dan tiga penggeser fase termo-optik, mengadopsi konfigurasi simetris. Cahaya masukan digabungkan ke dalam chip melalui coupler kisi (GC) dan dibagi secara merata menjadi tiga jalur melalui interferometer multimode 1×3 (MMI). Setelah melewati modulator dan penggeser fase, cahaya digabungkan kembali oleh MMI 1×3 lainnya dan kemudian digabungkan ke serat optik mode tunggal (SSMF).

Gambar 1: (a) Citra mikroskopis modulator IQ; (b) – (d) EO S21, spektrum rasio kepunahan, dan transmitansi dari EAM GeSi tunggal; (e) Diagram skematik modulator IQ dan fase optik yang sesuai dari penggeser fase; (f) Representasi penekanan pembawa pada bidang kompleks. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (b), EAM GeSi memiliki bandwidth elektro-optik yang lebar. Gambar 1 (b) mengukur parameter S21 dari struktur uji EAM GeSi tunggal menggunakan penganalisis komponen optik (LCA) 67 GHz. Gambar 1 (c) dan 1 (d) masing-masing menggambarkan spektrum rasio kepunahan (ER) statis pada tegangan DC yang berbeda dan transmisi pada panjang gelombang 1555 nanometer.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (e), fitur utama dari desain ini adalah kemampuan untuk menekan pembawa optik dengan menyesuaikan penggeser fase terintegrasi di lengan tengah. Perbedaan fase antara lengan atas dan bawah adalah π/2, digunakan untuk penyetelan kompleks, sedangkan perbedaan fase antara lengan tengah adalah -3 π/4. Konfigurasi ini memungkinkan interferensi destruktif terhadap pembawa, seperti yang ditunjukkan pada bidang kompleks Gambar 1 (f).
Pengaturan dan hasil eksperimen
Susunan eksperimental berkecepatan tinggi ditunjukkan pada Gambar 2 (a). Generator bentuk gelombang sembarang (Keysight M8194A) digunakan sebagai sumber sinyal, dan dua penguat RF yang disesuaikan fasanya pada 60 GHz (dengan bias tee terintegrasi) digunakan sebagai penggerak modulator. Tegangan bias GeSi EAM adalah -2,5 V, dan kabel RF yang disesuaikan fasanya digunakan untuk meminimalkan ketidaksesuaian fasa listrik antara saluran I dan Q.
Gambar 2: (a) Susunan eksperimen kecepatan tinggi, (b) Penekanan pembawa pada 70 Gbaud, (c) Tingkat kesalahan dan laju data, (d) Konstelasi pada 70 Gbaud. Gunakan laser rongga eksternal (ECL) komersial dengan lebar garis 100 kHz, panjang gelombang 1555 nm, dan daya 12 dBm sebagai pembawa optik. Setelah modulasi, sinyal optik diperkuat menggunakanpenguat serat yang didoping erbium(EDFA) untuk mengkompensasi kerugian kopling pada chip dan kerugian penyisipan modulator.
Di sisi penerima, Penganalisis Spektrum Optik (OSA) memantau spektrum sinyal dan penekanan pembawa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b) untuk sinyal 70 Gbaud. Gunakan penerima koheren polarisasi ganda untuk menerima sinyal, yang terdiri dari mixer optik 90 derajat dan empatFotodioda seimbang 40 GHz, dan terhubung ke osiloskop waktu nyata (RTO) 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Sumber ECL kedua dengan lebar garis 100 kHz digunakan sebagai osilator lokal (LO). Karena pemancar beroperasi dalam kondisi polarisasi tunggal, hanya dua saluran elektronik yang digunakan untuk konversi analog-ke-digital (ADC). Data direkam pada RTO dan diproses menggunakan prosesor sinyal digital (DSP) offline.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (c), modulator IQ diuji menggunakan format modulasi QPSK dari 40 Gbaud hingga 75 Gbaud. Hasilnya menunjukkan bahwa dalam kondisi koreksi kesalahan maju keputusan keras (HD-FEC) 7%, kecepatannya dapat mencapai 140 Gb/s; dalam kondisi koreksi kesalahan maju keputusan lunak (SD-FEC) 20%, kecepatannya dapat mencapai 150 Gb/s. Diagram konstelasi pada 70 Gbaud ditunjukkan pada Gambar 2 (d). Hasil ini dibatasi oleh bandwidth osiloskop sebesar 33 GHz, yang setara dengan bandwidth sinyal sekitar 66 Gbaud.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b), struktur tiga lengan dapat secara efektif menekan pembawa optik dengan tingkat blanking melebihi 30 dB. Struktur ini tidak memerlukan penekanan pembawa secara lengkap dan juga dapat digunakan pada penerima yang memerlukan nada pembawa untuk memulihkan sinyal, seperti penerima Kramer Kronig (KK). Pembawa dapat disesuaikan melalui penggeser fase lengan tengah untuk mencapai rasio pembawa terhadap pita samping (CSR) yang diinginkan.
Keunggulan dan Penerapannya
Dibandingkan dengan modulator Mach Zehnder tradisional (Modulator MZMDibandingkan dengan modulator IQ optoelektronik berbasis silikon lainnya, modulator IQ silikon yang diusulkan memiliki beberapa keunggulan. Pertama, ukurannya kompak, lebih dari 10 kali lebih kecil daripada modulator IQ berbasis silikon.Modulator Mach Zehnder(tidak termasuk bantalan penghubung), sehingga meningkatkan kepadatan integrasi dan mengurangi luas chip. Kedua, desain elektroda bertumpuk tidak memerlukan penggunaan resistor terminal, sehingga mengurangi kapasitansi perangkat dan energi per bit. Ketiga, kemampuan penekanan pembawa memaksimalkan pengurangan daya transmisi, sehingga semakin meningkatkan efisiensi energi.
Selain itu, bandwidth optik GeSi EAM sangat lebar (lebih dari 30 nanometer), sehingga menghilangkan kebutuhan akan sirkuit kontrol umpan balik multi-saluran dan prosesor untuk menstabilkan dan menyinkronkan resonansi modulator gelombang mikro (MRM), sehingga menyederhanakan desain.
Modulator IQ yang ringkas dan efisien ini sangat cocok untuk transceiver koheren generasi berikutnya dengan jumlah kanal tinggi dan ukuran kecil di pusat data, memungkinkan komunikasi optik dengan kapasitas lebih tinggi dan lebih hemat energi.
Modulator IQ silikon dengan peredaman pembawa menunjukkan kinerja yang sangat baik, dengan laju transmisi data hingga 150 Gb/s dalam kondisi SD-FEC 20%. Struktur 3-lengan kompaknya yang berbasis GeSi EAM memiliki keunggulan signifikan dalam hal ukuran, efisiensi energi, dan kesederhanaan desain. Modulator ini memiliki kemampuan untuk meredam atau menyesuaikan pembawa optik dan dapat diintegrasikan dengan skema deteksi koheren dan deteksi Kramer Kronig (KK) untuk transceiver koheren kompak multi-jalur. Pencapaian yang ditunjukkan mendorong realisasi transceiver optik yang sangat terintegrasi dan efisien untuk memenuhi permintaan yang terus meningkat akan komunikasi data berkapasitas tinggi di pusat data dan bidang lainnya.