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 a 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