Kompaktní optoelektronika na bázi křemíkuModulátor IQpro vysokorychlostní koherentní komunikaci
Rostoucí poptávka po vyšších rychlostech přenosu dat a energeticky úspornějších transceiverech v datových centrech vedla k vývoji kompaktních vysoce výkonných...optické modulátoryKřemíková optoelektronická technologie (SiPh) se stala slibnou platformou pro integraci různých fotonických komponent na jednom čipu, což umožňuje kompaktní a cenově efektivní řešení. Tento článek se bude zabývat novým křemíkovým IQ modulátorem s potlačením nosné náboje, založeným na GeSi EAM, který může pracovat na frekvenci až 75 Gbaud.
Konstrukce a vlastnosti zařízení
Navrhovaný IQ modulátor využívá kompaktní tříramennou strukturu, jak je znázorněno na obrázku 1 (a). Skládá se ze tří GeSi EAM a tří termooptických fázových posuvačů, které mají symetrickou konfiguraci. Vstupní světlo je do čipu přivedeno přes mřížkový vazební člen (GC) a rovnoměrně rozděleno do tří drah pomocí 1×3 multimódového interferometru (MMI). Po průchodu modulátorem a fázovým posuvačem je světlo rekombinováno dalším 1×3 MMI a poté připojeno k jednomódovému vláknu (SSMF).
Obrázek 1: (a) Mikroskopický snímek IQ modulátoru; (b) – (d) EO S21, spektrum extinkčního poměru a transmitance jednoho GeSi EAM; (e) Schéma zapojení IQ modulátoru a odpovídající optické fáze fázového posunovače; (f) Znázornění potlačení nosičů na komplexní rovině. Jak je znázorněno na obrázku 1 (b), GeSi EAM má širokou elektrooptickou šířku pásma. Obrázek 1 (b) znázorňuje měření parametru S21 jednoho testovacího struktury GeSi EAM pomocí analyzátoru optických komponent (LCA) o frekvenci 67 GHz. Obrázky 1 (c) a 1 (d) znázorňují statická spektra extinkčního poměru (ER) při různých stejnosměrných napětích a transmitanci při vlnové délce 1555 nanometrů.
Jak je znázorněno na obrázku 1 (e), hlavním rysem této konstrukce je schopnost potlačit optické nosiče nastavením integrovaného fázového posunovače ve středním rameni. Fázový rozdíl mezi horním a dolním ramenem je π/2 a používá se pro komplexní ladění, zatímco fázový rozdíl mezi středním ramenem je -3 π/4. Tato konfigurace umožňuje destruktivní interferenci s nosnou, jak je znázorněno v komplexní rovině na obrázku 1 (f).
Experimentální nastavení a výsledky
Vysokorychlostní experimentální uspořádání je znázorněno na obrázku 2 (a). Jako zdroj signálu je použit generátor libovolného průběhu (Keysight M8194A) a jako budiče modulátoru jsou použity dva fázově přizpůsobené VF zesilovače o frekvenci 60 GHz (s integrovanými předpínacími T-kusy). Předpínací napětí GeSi EAM je -2,5 V a pro minimalizaci elektrické fázové neshody mezi kanály I a Q je použit fázově přizpůsobený VF kabel.
Obrázek 2: (a) Vysokorychlostní experimentální uspořádání, (b) Potlačení nosné vlny při 70 Gbaud, (c) Chybovost a datová rychlost, (d) Konstelace při 70 Gbaud. Jako optickou nosnou vlnu použijte komerční laser s externí dutinou (ECL) s šířkou čáry 100 kHz, vlnovou délkou 1555 nm a výkonem 12 dBm. Po modulaci je optický signál zesílen pomocívláknový zesilovač dopovaný erbiem(EDFA) pro kompenzaci ztrát vazbou na čipu a ztrát vložením modulátoru.
Na přijímacím konci monitoruje optický spektrální analyzátor (OSA) spektrum signálu a potlačení nosné, jak je znázorněno na obrázku 2 (b) pro signál o rychlosti 70 Gbaud. Pro příjem signálů se používá koherentní přijímač s duální polarizací, který se skládá z 90stupňového optického směšovače a čtyř...Vyvážené fotodiody 40 GHz, a je připojen k osciloskopu v reálném čase (RTO) 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Druhý zdroj ECL s šířkou čáry 100 kHz se používá jako lokální oscilátor (LO). Vzhledem k tomu, že vysílač pracuje za podmínek jediné polarizace, pro analogově-digitální převod (ADC) se používají pouze dva elektronické kanály. Data jsou zaznamenávána na RTO a zpracovávána pomocí offline digitálního signálového procesoru (DSP).
Jak je znázorněno na obrázku 2 (c), modulátor IQ byl testován s použitím modulačního formátu QPSK od 40 Gbaud do 75 Gbaud. Výsledky ukazují, že za podmínek 7% korekce chyb s pevným rozhodnutím (HD-FEC) může rychlost dosáhnout 140 Gb/s; za podmínek 20% korekce chyb s měkkým rozhodnutím (SD-FEC) může rychlost dosáhnout 150 Gb/s. Diagram konstelace při 70 Gbaud je znázorněn na obrázku 2 (d). Výsledek je omezen šířkou pásma osciloskopu 33 GHz, což odpovídá šířce pásma signálu přibližně 66 Gbaud.
Jak je znázorněno na obrázku 2 (b), tříramenná struktura dokáže účinně potlačit optické nosné s mírou zatemnění přesahující 30 dB. Tato struktura nevyžaduje úplné potlačení nosné a lze ji také použít v přijímačích, které vyžadují nosné tóny k obnovení signálů, jako jsou například přijímače Kramer Kronig (KK). Nosnou lze nastavit pomocí fázového posunovače s centrálním ramenem, aby se dosáhlo požadovaného poměru nosné k postrannímu pásmu (CSR).
Výhody a aplikace
Ve srovnání s tradičními Mach-Zehnderovými modulátory (MZM modulátory) a dalších optoelektronických IQ modulátorů na bázi křemíku má navrhovaný křemíkový IQ modulátor řadu výhod. Za prvé, je kompaktní, více než 10krát menší než IQ modulátory založené naMach-Zehnderovy modulátory(s výjimkou spojovacích plošek), čímž se zvyšuje hustota integrace a zmenšuje plocha čipu. Za druhé, konstrukce s vrstvenými elektrodami nevyžaduje použití koncových rezistorů, čímž se snižuje kapacita zařízení a energie na bit. Za třetí, schopnost potlačení nosných maximalizuje snížení přenosového výkonu, což dále zlepšuje energetickou účinnost.
Optická šířka pásma GeSi EAM je navíc velmi široká (přes 30 nanometrů), což eliminuje potřebu vícekanálových obvodů a procesorů pro řízení zpětné vazby ke stabilizaci a synchronizaci rezonance mikrovlnných modulátorů (MRM), a tím zjednodušuje konstrukci.
Tento kompaktní a efektivní IQ modulátor je velmi vhodný pro nové generace, vysokokanálové a malé koherentní transceivery v datových centrech, což umožňuje vyšší kapacitu a energeticky úspornější optickou komunikaci.
Křemíkový modulátor IQ s potlačením nosné vykazuje vynikající výkon s rychlostí přenosu dat až 150 Gb/s za podmínek 20% SD-FEC. Jeho kompaktní tříramenná struktura založená na GeSi EAM má významné výhody z hlediska rozměrů, energetické účinnosti a jednoduchosti designu. Tento modulátor má schopnost potlačit nebo upravit optickou nosnou a lze jej integrovat s koherentní detekcí a detekčními schématy Kramer Kronig (KK) pro vícekanálové kompaktní koherentní transceivery. Prokázané úspěchy vedou k realizaci vysoce integrovaných a efektivních optických transceiverů, které uspokojí rostoucí poptávku po vysokokapacitní datové komunikaci v datových centrech a dalších oblastech.
Čas zveřejnění: 21. ledna 2025