Compacte opto-elektronische silicium-gebaseerdeIQ-modulatorvoor coherente communicatie op hoge snelheid
De toenemende vraag naar hogere gegevensoverdrachtssnelheden en energiezuinigere transceivers in datacenters heeft de ontwikkeling van compacte, krachtige apparaten gestimuleerd.optische modulatorenOpto-elektronische technologie op basis van silicium (SiPh) is een veelbelovend platform geworden voor de integratie van verschillende fotonische componenten op één chip, wat compacte en kosteneffectieve oplossingen mogelijk maakt. Dit artikel onderzoekt een nieuwe, carrier-onderdrukte silicium IQ-modulator op basis van GeSi EAM's, die kan werken op frequenties tot 75 Gbaud.
Apparaatontwerp en kenmerken
De voorgestelde IQ-modulator maakt gebruik van een compacte structuur met drie armen, zoals weergegeven in figuur 1 (a). Deze bestaat uit drie GeSi EAM's en drie thermo-optische faseverschuivingen, met een symmetrische configuratie. Het binnenkomende licht wordt via een roosterkoppeling (Grating Coupler, GC) aan de chip gekoppeld en gelijkmatig verdeeld in drie paden via een 1×3 multimode interferometer (MMI). Na passage van de modulator en faseverschuiving wordt het licht opnieuw gecombineerd door een andere 1×3 MMI en vervolgens gekoppeld aan een single-mode fiber (SSMF).
Figuur 1: (a) Microscopisch beeld van een IQ-modulator; (b) – (d) EO S21, extinctieverhoudingsspectrum en transmissie van een enkele GeSi EAM; (e) Schematisch diagram van een IQ-modulator en bijbehorende optische fase van de faseverschuiving; (f) Representatie van ladingsdrageronderdrukking op het complexe vlak. Zoals weergegeven in figuur 1 (b), heeft een GeSi EAM een brede elektro-optische bandbreedte. Figuur 1 (b) heeft de S21-parameter van een enkele GeSi EAM-teststructuur gemeten met behulp van een optische componentanalysator (LCA) van 67 GHz. Figuur 1 (c) en 1 (d) tonen respectievelijk de spectra van de statische extinctieverhouding (ER) bij verschillende gelijkspanningen en de transmissie bij een golflengte van 1555 nanometer.
Zoals weergegeven in figuur 1 (e), is het belangrijkste kenmerk van dit ontwerp de mogelijkheid om optische draaggolven te onderdrukken door de geïntegreerde faseverschuiving in de middelste arm aan te passen. Het faseverschil tussen de bovenste en onderste arm is π/2, wat wordt gebruikt voor complexe afstemming, terwijl het faseverschil tussen de middelste arm -3 π/4 is. Deze configuratie maakt destructieve interferentie met de draaggolf mogelijk, zoals weergegeven in het complexe vlak van figuur 1 (f).
Experimentele opstelling en resultaten
De snelle experimentele opstelling is weergegeven in figuur 2 (a). Een willekeurige golfvormgenerator (Keysight M8194A) wordt gebruikt als signaalbron en twee 60 GHz fasegematchte RF-versterkers (met geïntegreerde bias-T's) worden gebruikt als modulatordrivers. De biasspanning van de GeSi EAM is -2,5 V en een fasegematchte RF-kabel wordt gebruikt om de elektrische faseafwijking tussen de I- en Q-kanalen te minimaliseren.
Figuur 2: (a) Experimentele opstelling met hoge snelheid, (b) Draaggolfonderdrukking bij 70 Gbaud, (c) Foutpercentage en datasnelheid, (d) Constellatie bij 70 Gbaud. Gebruik een commerciële externe holtelaser (ECL) met een lijnbreedte van 100 kHz, een golflengte van 1555 nm en een vermogen van 12 dBm als optische draaggolf. Na modulatie wordt het optische signaal versterkt met behulp van eenerbium-gedoteerde vezelversterker(EDFA) om koppelingsverliezen op de chip en verliezen door modulatorinvoeging te compenseren.
Aan de ontvangende kant bewaakt een optische spectrumanalysator (OSA) het signaalspectrum en de draaggolfonderdrukking, zoals weergegeven in figuur 2 (b) voor een 70 Gbaud-signaal. Voor de ontvangst van signalen wordt een coherente ontvanger met dubbele polarisatie gebruikt, bestaande uit een optische mixer van 90 graden en vier40 GHz gebalanceerde fotodiodes, en is aangesloten op een 33 GHz, 80 GSa/s real-time oscilloscoop (RTO) (Keysight DSOZ634A). De tweede ECL-bron met een lijnbreedte van 100 kHz wordt gebruikt als lokale oscillator (LO). Omdat de zender onder enkelvoudige polarisatieomstandigheden werkt, worden slechts twee elektronische kanalen gebruikt voor analoog-naar-digitaalconversie (ADC). De gegevens worden opgenomen op de RTO en verwerkt met een offline digitale signaalprocessor (DSP).
Zoals weergegeven in figuur 2 (c), werd de IQ-modulator getest met behulp van het QPSK-modulatieformaat van 40 tot 75 Gbaud. De resultaten geven aan dat de snelheid onder 7% HD-FEC (Hard Decision Forward Error Correction) 140 Gb/s kan bereiken; onder 20% SD-FEC (Soft Decision Forward Error Correction) 150 Gb/s. Het constellatiediagram bij 70 Gbaud is weergegeven in figuur 2 (d). Het resultaat wordt beperkt door de oscilloscoopbandbreedte van 33 GHz, wat overeenkomt met een signaalbandbreedte van ongeveer 66 Gbaud.
Zoals weergegeven in figuur 2 (b), kan de drie-armige structuur optische draaggolven met een blanking rate van meer dan 30 dB effectief onderdrukken. Deze structuur vereist geen volledige onderdrukking van de draaggolf en kan ook worden gebruikt in ontvangers die draaggolftonen nodig hebben om signalen te herstellen, zoals Kramer Kronig (KK)-ontvangers. De draaggolf kan worden aangepast via een faseverschuivingsinrichting met een centrale arm om de gewenste draaggolf-zijbandverhouding (CSR) te bereiken.
Voordelen en toepassingen
Vergeleken met traditionele Mach Zehnder-modulatoren (MZM-modulatoren) en andere op silicium gebaseerde opto-elektronische IQ-modulatoren, heeft de voorgestelde silicium IQ-modulator meerdere voordelen. Ten eerste is hij compact van formaat, meer dan 10 keer kleiner dan IQ-modulatoren gebaseerd opMach Zehnder-modulatoren(exclusief bonding pads), waardoor de integratiedichtheid toeneemt en het chipoppervlak kleiner wordt. Ten tweede vereist het gestapelde elektrodeontwerp geen gebruik van eindweerstanden, waardoor de capaciteit en energie per bit van het apparaat worden verlaagd. Ten derde maximaliseert de draaggolfonderdrukking de reductie van het transmissievermogen, wat de energie-efficiëntie verder verbetert.
Bovendien is de optische bandbreedte van GeSi EAM zeer breed (meer dan 30 nanometer), waardoor er geen behoefte is aan meerkanaals feedbackregelcircuits en processoren om de resonantie van microgolfmodulatoren (MRM's) te stabiliseren en synchroniseren, wat het ontwerp vereenvoudigt.
Deze compacte en efficiënte IQ-modulator is uitermate geschikt voor de volgende generatie, kleine coherente transceivers met een hoog kanaalaantal in datacenters, en maakt optische communicatie met een hogere capaciteit en meer energiezuinige technologie mogelijk.
De silicium IQ-modulator met carrier suppressed levert uitstekende prestaties, met een datatransmissiesnelheid tot 150 Gb/s onder 20% SD-FEC-omstandigheden. De compacte 3-armige structuur op basis van GeSi EAM biedt aanzienlijke voordelen op het gebied van footprint, energie-efficiëntie en ontwerpeenvoud. Deze modulator kan de optische carrier onderdrukken of aanpassen en kan worden geïntegreerd met coherente detectie en Kramer Kronig (KK)-detectieschema's voor compacte coherente transceivers met meerdere lijnen. De aangetoonde resultaten stimuleren de ontwikkeling van zeer geïntegreerde en efficiënte optische transceivers om te voldoen aan de groeiende vraag naar datacommunicatie met hoge capaciteit in datacenters en andere sectoren.
Plaatsingstijd: 21-01-2025