Modulator IQ optoelektronik berbasis silikon kompak untuk komunikasi koheren berkecepatan tinggi

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 kompak berkinerja tinggimodulator optikTeknologi optoelektronik berbasis silikon (SiPh) telah menjadi platform yang menjanjikan untuk mengintegrasikan berbagai komponen fotonik ke dalam satu chip, yang memungkinkan solusi yang ringkas dan hemat biaya. Artikel ini akan membahas modulator IQ silikon pembawa yang ditekan baru berdasarkan 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 pemindah fase termo optik, yang mengadopsi konfigurasi simetris. Cahaya masukan disambungkan ke dalam chip melalui penggandeng kisi (GC) dan dibagi rata menjadi tiga jalur melalui interferometer multimode (MMI) 1×3. Setelah melewati modulator dan pemindah fase, cahaya tersebut digabungkan kembali oleh MMI 1×3 lainnya dan kemudian disambungkan ke serat mode tunggal (SSMF).

Gambar 1: (a) Gambar mikroskopis modulator IQ; (b) – (d) EO S21, spektrum rasio kepunahan, dan transmitansi satu GeSi EAM; (e) Diagram skema modulator IQ dan fase optik yang sesuai dari pemindah fase; (f) Representasi penekanan pembawa pada bidang kompleks. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (b), GeSi EAM memiliki lebar pita elektro-optik yang lebar. Gambar 1 (b) mengukur parameter S21 dari satu struktur uji GeSi EAM 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 pemindah fase terintegrasi di lengan tengah. Perbedaan fase antara lengan atas dan bawah adalah π/2, yang digunakan untuk penyetelan kompleks, sedangkan perbedaan fase antara lengan tengah adalah -3 π/4. Konfigurasi ini memungkinkan interferensi destruktif pada pembawa, seperti yang ditunjukkan pada bidang kompleks Gambar 1 (f).
Pengaturan dan hasil percobaan
Pengaturan eksperimen berkecepatan tinggi ditunjukkan pada Gambar 2 (a). Generator bentuk gelombang arbitrer (Keysight M8194A) digunakan sebagai sumber sinyal, dan dua amplifier RF 60 GHz yang disesuaikan fasenya (dengan tee bias terintegrasi) digunakan sebagai penggerak modulator. Tegangan bias GeSi EAM adalah -2,5 V, dan kabel RF yang disesuaikan fasenya digunakan untuk meminimalkan ketidaksesuaian fase listrik antara saluran 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, Optical Spectrum Analyzer (OSA) memonitor 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 saluran 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 pada kondisi hard decision forward error correction (HD-FEC) 7%, kecepatannya dapat mencapai 140 Gb/s; Pada kondisi soft decision forward error correction (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 yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b), struktur tiga lengan dapat secara efektif menekan pembawa optik dengan tingkat blanking yang melebihi 30 dB. Struktur ini tidak memerlukan penekanan pembawa secara menyeluruh dan juga dapat digunakan pada penerima yang memerlukan nada pembawa untuk memulihkan sinyal, seperti penerima Kramer Kronig (KK). Pembawa dapat disesuaikan melalui pemindah fase lengan pusat untuk mencapai rasio pembawa terhadap sideband (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 kompak, lebih dari 10 kali lebih kecil dari modulator IQ berbasisModulator Mach Zehnder(tidak termasuk bantalan pengikat), sehingga meningkatkan kepadatan integrasi dan mengurangi 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), 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 yang ditekan pembawa menunjukkan kinerja yang sangat baik, dengan laju transmisi data hingga 150 Gb/s dalam kondisi 20% SD-FEC. Struktur 3 lengan yang ringkas berdasarkan GeSi EAM memiliki keunggulan signifikan dalam hal jejak, efisiensi energi, dan kesederhanaan desain. Modulator ini memiliki kemampuan untuk menekan 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.