Untuk komunikasi koheren berkecepatan tinggi kompak modulator IQ optoelektronik berbasis silikon

Optoelektronik berbasis silikon kompakModulator IQuntuk komunikasi koheren berkecepatan tinggi
Meningkatnya permintaan untuk tingkat transmisi data yang lebih tinggi dan lebih banyak transceiver hemat energi di pusat data telah mendorong pengembangan kinerja tinggi yang ringkasmodulator optik. Teknologi optoelektronik berbasis silikon (SIPH) telah menjadi platform yang menjanjikan untuk mengintegrasikan berbagai komponen fotonik ke dalam satu chip, memungkinkan solusi kompak dan hemat biaya. Artikel ini akan mengeksplorasi modulator Silikon IQ yang ditekan oleh pembawa baru berdasarkan Gesi Eams, 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 gesi EAM dan tiga pemindah fase optik thermo, mengadopsi konfigurasi simetris. Lampu input digabungkan ke dalam chip melalui kisi coupler (GC) dan dibagi secara merata menjadi tiga jalur melalui interferometer multimode 1 × 3 (MMI). Setelah melewati modulator dan fase shifter, cahaya digabungkan kembali oleh 1 × 3 mMI lainnya dan kemudian digabungkan ke serat mode tunggal (SSMF).

Gambar 1: (a) Gambar mikroskopis modulator IQ; (B) - (d) EO S21, spektrum rasio kepunahan, dan transmisi satu gesi eam; (e) Diagram skematik modulator IQ dan fase optik yang sesuai dari fase shifter; (f) Representasi penindasan pembawa pada bidang kompleks. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (b), Gesi Eam memiliki bandwidth elektro-optik yang lebar. Gambar 1 (b) mengukur parameter S21 dari struktur uji Gesi EAM tunggal menggunakan 67 GHz Optical Component Analyzer (LCA). Gambar 1 (c) dan 1 (d) masing -masing menggambarkan spektrum rasio kepunahan statis (ER) 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 shifter 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 gangguan destruktif ke pembawa, seperti yang ditunjukkan pada bidang kompleks Gambar 1 (f).
Pengaturan dan hasil eksperimental
Pengaturan eksperimental berkecepatan tinggi ditunjukkan pada Gambar 2 (a). Generator bentuk gelombang sewenang -wenang (Keysight M8194A) digunakan sebagai sumber sinyal, dan dua amplifier RF yang cocok dengan fase 60 GHz (dengan tee bias terintegrasi) digunakan sebagai driver modulator. Tegangan bias Gesi Eam adalah -2,5 V, dan kabel RF yang cocok dengan fase digunakan untuk meminimalkan ketidakcocokan fase listrik antara saluran I dan Q.
Gambar 2: (a) Pengaturan eksperimental kecepatan tinggi, (b) penekanan operator pada 70 gbaud, (c) laju kesalahan dan laju data, (d) konstelasi pada 70 gbaud. Gunakan laser rongga eksternal komersial (ECL) dengan linewidth 100 kHz, panjang gelombang 1555 nm, dan daya 12 dBm sebagai pembawa optik. Setelah modulasi, sinyal optik diperkuat menggunakanpenguat serat erbium-doped(EDFA) Untuk mengkompensasi kerugian kopling on-chip dan kerugian penyisipan modulator.
Di ujung penerima, penganalisa 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 empatFotodiodes seimbang 40 GHz, dan terhubung ke 33 GHz, 80 GSA/s Real-Time Oscilloscope (RTO) (Keysight DSOZ634A). Sumber ECL kedua dengan linewidth 100 kHz digunakan sebagai osilator lokal (LO). Karena pemancar yang beroperasi dalam kondisi polarisasi tunggal, hanya dua saluran elektronik yang digunakan untuk konversi analog-ke-digital (ADC). Data dicatat pada RTO dan diproses menggunakan Prosesor Sinyal Digital Offline (DSP).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (c), modulator IQ diuji menggunakan format modulasi QPSK dari 40 GBAUD menjadi 75 GBAUD. Hasilnya menunjukkan bahwa di bawah 7% keputusan Koreksi Kesalahan Maju (HD-FEC) di bawah 7%, laju dapat mencapai 140 GB/s; Di bawah kondisi 20% Koreksi Kesalahan Pengambilan Keputusan Soft (SD-FEC), kecepatan dapat mencapai 150 GB/s. Diagram konstelasi pada 70 GBAUD ditunjukkan pada Gambar 2 (d). Hasilnya dibatasi oleh bandwidth osiloskop 33 GHz, yang setara dengan bandwidth sinyal sekitar 66 gbaud.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b), tiga struktur lengan dapat secara efektif menekan pembawa optik dengan laju pengosongan melebihi 30 dB. Struktur ini tidak memerlukan penindasan total dari operator dan juga dapat digunakan dalam penerima yang membutuhkan nada operator untuk memulihkan sinyal, seperti penerima Kramer Kronig (KK). Operator dapat disesuaikan melalui shifter fase lengan pusat untuk mencapai rasio sideband untuk sideband (CSR) yang diinginkan.
Keuntungan dan Aplikasi
Dibandingkan dengan modulator zehnder Mach tradisional (Modulator MZM) dan modulator IQ optoelektronik berbasis silikon lainnya, modulator IQ silikon yang diusulkan memiliki banyak keunggulan. Pertama, ukurannya kompak, lebih dari 10 kali lebih kecil dari modulator IQ berdasarkanModulator Mach Zehnder(Tidak termasuk bantalan ikatan), sehingga meningkatkan kepadatan integrasi dan mengurangi area chip. Kedua, desain elektroda yang ditumpuk tidak memerlukan penggunaan resistor terminal, sehingga mengurangi kapasitansi perangkat dan energi per bit. Ketiga, kemampuan penindasan pembawa memaksimalkan pengurangan daya transmisi, lebih lanjut meningkatkan efisiensi energi.
Selain itu, bandwidth optik Gesi Eam sangat luas (lebih dari 30 nanometer), menghilangkan kebutuhan akan sirkuit kontrol umpan balik multi-saluran dan prosesor untuk menstabilkan dan menyinkronkan resonansi modulator gelombang mikro (MRM), menyederhanakan desain.
Modulator IQ yang ringkas dan efisien ini sangat cocok untuk generasi berikutnya, jumlah saluran tinggi, dan transceiver koheren kecil di pusat data, memungkinkan kapasitas yang lebih tinggi dan komunikasi optik yang lebih hemat energi.
Modulator Silikon IQ yang ditekan dari operator menunjukkan kinerja yang sangat baik, dengan laju transmisi data hingga 150 GB/s di bawah 20% kondisi SD-FEC. Struktur 3-lengan yang ringkas berdasarkan Gesi Eam memiliki keunggulan yang signifikan dalam hal jejak, efisiensi energi, dan kesederhanaan desain. Modulator ini memiliki kemampuan untuk menekan atau menyesuaikan pembawa optik dan dapat diintegrasikan dengan deteksi koheren dan skema deteksi kramer kronig (KK) untuk transceiver koheren multi -garis kompak. Pencapaian yang ditunjukkan mendorong realisasi transceiver optik yang sangat terintegrasi dan efisien untuk memenuhi permintaan komunikasi data berkapasitas tinggi di pusat data dan bidang lainnya.