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

Optoelektronik berbasis silikon kompakModulator 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 ringkasmodulator optikTeknologi optoelektronik berbasis silikon (SiPh) telah menjadi platform yang menjanjikan untuk mengintegrasikan berbagai komponen fotonik ke dalam satu chip, memungkinkan solusi yang ringkas dan hemat biaya. Artikel ini akan membahas modulator IQ silikon pembawa-supresi baru berbasis GeSi EAM, yang dapat beroperasi pada frekuensi hingga 75 Gbaud.
Desain dan karakteristik perangkat
Modulator IQ yang diusulkan mengadopsi struktur tiga lengan yang ringkas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (a). Terdiri dari tiga GeSi EAM dan tiga penggeser fase termo-optik, mengadopsi konfigurasi simetris. Cahaya masukan digabungkan ke dalam chip melalui penggeser kisi (GC) dan dibagi rata menjadi tiga jalur melalui interferometer multimode (MMI) 1x3. Setelah melewati modulator dan penggeser fase, cahaya tersebut direkombinasikan oleh MMI 1x3 lainnya dan kemudian digabungkan ke serat mode tunggal (SSMF).

Gambar 1: (a) Gambar mikroskopis modulator IQ; (b) – (d) EO S21, spektrum rasio kepunahan, dan transmitansi sebuah EAM GeSi tunggal; (e) Diagram skema 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 lebar pita elektro-optik yang lebar. Gambar 1 (b) mengukur parameter S21 dari sebuah 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 ditunjukkan pada Gambar 1 (e), fitur utama desain ini adalah kemampuannya untuk menekan pembawa optik dengan menyesuaikan penggeser fase terintegrasi di lengan tengah. Perbedaan fase antara lengan atas dan bawah adalah π/2, yang digunakan untuk penyetelan kompleks, sementara perbedaan fase antara lengan tengah adalah -3 π/4. Konfigurasi ini memungkinkan interferensi destruktif pada pembawa, seperti yang ditunjukkan pada bidang kompleks pada Gambar 1 (f).
Pengaturan dan hasil percobaan
Rangkaian eksperimen berkecepatan tinggi ditunjukkan pada Gambar 2 (a). Sebuah generator bentuk gelombang arbitrer (Keysight M8194A) digunakan sebagai sumber sinyal, dan dua penguat RF 60 GHz yang telah disesuaikan fasenya (dengan tee bias terintegrasi) digunakan sebagai penggerak modulator. Tegangan bias GeSi EAM adalah -2,5 V, dan kabel RF yang telah disesuaikan fasenya digunakan untuk meminimalkan ketidaksesuaian fase listrik antara kanal I dan Q.
Gambar 2: (a) Pengaturan eksperimen kecepatan tinggi, (b) Penekanan pembawa pada 70 Gbaud, (c) Laju kesalahan dan laju data, (d) Konstelasi pada 70 Gbaud. Gunakan laser rongga eksternal komersial (ECL) dengan lebar garis 100 kHz, panjang gelombang 1555 nm, dan daya 12 dBm sebagai pembawa optik. Setelah modulasi, sinyal optik diperkuat menggunakanpenguat serat terdoping 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 pencampur 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 kanal elektronik yang digunakan untuk konversi analog-ke-digital (ADC). Data direkam pada RTO dan diproses menggunakan prosesor sinyal digital (DSP) offline.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 2 (c), modulator IQ diuji menggunakan format modulasi QPSK dari 40 Gbaud hingga 75 Gbaud. Hasilnya menunjukkan bahwa pada kondisi koreksi kesalahan maju keputusan keras (HD-FEC) 7%, kecepatannya dapat mencapai 140 Gb/s; pada 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). Hasilnya dibatasi oleh lebar pita osiloskop sebesar 33 GHz, yang setara dengan lebar pita sinyal sekitar 66 Gbaud.

Seperti ditunjukkan pada Gambar 2 (b), struktur tiga lengan dapat secara efektif menekan pembawa optik dengan laju blanking melebihi 30 dB. Struktur ini tidak memerlukan penekanan pembawa sepenuhnya dan juga dapat digunakan pada penerima yang memerlukan nada pembawa untuk memulihkan sinyal, seperti penerima Kramer Kronig (KK). Pembawa dapat diatur melalui penggeser fase lengan pusat untuk mencapai rasio pembawa terhadap pita samping (CSR) yang diinginkan.
Keuntungan dan Aplikasi
Dibandingkan dengan modulator Mach Zehnder tradisional (Modulator MZM) dan modulator IQ optoelektronik berbasis silikon lainnya, modulator IQ silikon yang diusulkan memiliki banyak keunggulan. Pertama, ukurannya ringkas, lebih dari 10 kali lebih kecil daripada modulator IQ berbasis silikon.Modulator Mach Zehnder(tidak termasuk bantalan pengikat), sehingga meningkatkan kepadatan integrasi dan mengurangi luas area 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, yang selanjutnya meningkatkan efisiensi energi.
Selain itu, lebar pita 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 generasi berikutnya, jumlah saluran tinggi, dan transceiver koheren kecil di pusat data, yang memungkinkan komunikasi optik berkapasitas lebih tinggi dan lebih hemat energi.
Modulator IQ silikon dengan carrier suppression ini menunjukkan kinerja yang sangat baik, dengan laju transmisi data hingga 150 Gb/s pada kondisi SD-FEC 20%. Struktur 3 lengan yang ringkas berbasis GeSi EAM memiliki keunggulan signifikan dalam hal ukuran, efisiensi energi, dan kesederhanaan desain. Modulator ini memiliki kemampuan untuk menekan atau menyesuaikan carrier optik dan dapat diintegrasikan dengan skema deteksi koheren dan deteksi Kramer Kronig (KK) untuk transceiver koheren kompak multi-jalur. Pencapaian yang telah ditunjukkan mendorong terwujudnya transceiver optik yang sangat terintegrasi dan efisien untuk memenuhi permintaan komunikasi data berkapasitas tinggi yang terus meningkat di pusat data dan bidang lainnya.