Compacte op silicium gebaseerde opto-elektronischeIQ-modulatorvoor snelle coherente communicatie
De toenemende vraag naar hogere gegevensoverdrachtssnelheden en energiezuinigere transceivers in datacenters heeft de ontwikkeling van compacte, krachtige apparaten gestimuleerd.optische modulatorenOp silicium gebaseerde opto-elektronische technologie (SiPh) is een veelbelovend platform geworden voor de integratie van diverse fotonische componenten op één chip, wat compacte en kosteneffectieve oplossingen mogelijk maakt. Dit artikel onderzoekt een nieuwe, door drageronderdrukking ondersteunde silicium IQ-modulator op basis van GeSi EAM's, die kan werken met een frequentie tot 75 Gbaud.
Ontwerp en kenmerken van het apparaat
De voorgestelde IQ-modulator heeft een compacte structuur met drie armen, zoals weergegeven in Figuur 1 (a). Deze is opgebouwd uit drie GeSi EAM's en drie thermo-optische faseverschuivers, in een symmetrische configuratie. Het ingangslicht wordt via een roosterkoppelaar (GC) in de chip geleid en gelijkmatig verdeeld over drie paden door een 1×3 multimode-interferometer (MMI). Na passage door de modulator en de faseverschuiver wordt het licht opnieuw gecombineerd door een andere 1×3 MMI en vervolgens gekoppeld aan een single-mode vezel (SSMF).
Figuur 1: (a) Microscopische afbeelding van een IQ-modulator; (b) – (d) EO S21, extinctieverhoudingsspectrum en transmissie van een enkele GeSi EAM; (e) Schematisch diagram van een IQ-modulator en de bijbehorende optische fase van een faseschuiver; (f) Weergave van draaggolfonderdrukking in het complexe vlak. Zoals weergegeven in Figuur 1 (b), heeft de GeSi EAM een brede elektro-optische bandbreedte. Figuur 1 (b) toont de gemeten S21-parameter van een enkele GeSi EAM-teststructuur met behulp van een 67 GHz optische componentenanalysator (LCA). Figuren 1 (c) en 1 (d) tonen respectievelijk de statische extinctieverhoudingsspectra (ER) bij verschillende DC-spanningen 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 faseschuiver in de middelste arm aan te passen. Het faseverschil tussen de bovenste en onderste armen is π/2, gebruikt voor complexe afstemming, terwijl het faseverschil in 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 fase-aangepaste RF-versterkers van 60 GHz (met geïntegreerde bias-tees) worden gebruikt als modulatordrivers. De bias-spanning van de GeSi EAM is -2,5 V, en een fase-aangepaste RF-kabel wordt gebruikt om de elektrische fase-mismatch tussen de I- en Q-kanalen te minimaliseren.
Figuur 2: (a) Experimentele opstelling voor hoge snelheid, (b) Draaggolfonderdrukking bij 70 Gbaud, (c) Foutpercentage en datasnelheid, (d) Constellatie bij 70 Gbaud. Gebruik een commerciële externe-caviteitlaser (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 de koppelingsverliezen op de chip en de insertieverliezen van de modulator 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. Gebruik een coherente ontvanger met dubbele polarisatie om signalen te ontvangen, die bestaat uit een optische mixer van 90 graden en vier40 GHz gebalanceerde fotodiodesen is verbonden met 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 polarisatie werkt, worden slechts twee elektronische kanalen gebruikt voor analoog-digitaalconversie (ADC). De gegevens worden opgenomen op de RTO en verwerkt met behulp van een offline digitale signaalprocessor (DSP).
Zoals weergegeven in figuur 2 (c), werd de IQ-modulator getest met QPSK-modulatie van 40 Gbaud tot 75 Gbaud. De resultaten tonen aan dat onder omstandigheden met 7% harde beslissingsfoutcorrectie (HD-FEC) de snelheid 140 Gb/s kan bereiken; onder omstandigheden met 20% zachte beslissingsfoutcorrectie (SD-FEC) kan de snelheid 150 Gb/s bereiken. Het constellatiediagram bij 70 Gbaud is weergegeven in figuur 2 (d). Het resultaat wordt beperkt door de bandbreedte van de oscilloscoop van 33 GHz, wat overeenkomt met een signaalbandbreedte van ongeveer 66 Gbaud.
Zoals weergegeven in figuur 2 (b), kan de structuur met drie armen optische draaggolven effectief onderdrukken met een blanking rate van meer dan 30 dB. 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 faseverschuiver in de centrale arm om de gewenste draaggolf-zijbandverhouding (CSR) te bereiken.
Voordelen en toepassingen
Vergeleken met traditionele Mach-Zehnder-modulatoren (MZM-modulatorenIn vergelijking met andere op silicium gebaseerde opto-elektronische IQ-modulatoren, heeft de voorgestelde silicium IQ-modulator meerdere voordelen. Ten eerste is hij compact, meer dan tien keer kleiner dan IQ-modulatoren gebaseerd opMach-Zehnder-modulatoren(exclusief verbindingspads), waardoor de integratiedichtheid toeneemt en het chipoppervlak kleiner wordt. Ten tweede vereist het ontwerp met gestapelde elektroden geen eindweerstanden, waardoor de capaciteit van het apparaat en het energieverbruik per bit worden verlaagd. Ten derde maximaliseert de mogelijkheid tot onderdrukking van de draaggolf de vermindering 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 processors om de resonantie van microgolfmodulatoren (MRM's) te stabiliseren en te synchroniseren, wat het ontwerp vereenvoudigt.
Deze compacte en efficiënte IQ-modulator is uitermate geschikt voor de volgende generatie coherente transceivers met een groot aantal kanalen en een klein formaat in datacenters, waardoor optische communicatie met een hogere capaciteit en een lager energieverbruik mogelijk wordt.
De silicium IQ-modulator met draaggolfonderdrukking vertoont uitstekende prestaties, met een gegevensoverdrachtssnelheid tot 150 Gb/s onder 20% SD-FEC-condities. De compacte 3-armige structuur op basis van GeSi EAM biedt aanzienlijke voordelen op het gebied van afmetingen, energie-efficiëntie en ontwerpvereenvoudiging. Deze modulator kan de optische draaggolf onderdrukken of aanpassen en kan worden geïntegreerd met coherente detectie en Kramer-Kronig (KK)-detectieschema's voor compacte, meerlijnige coherente transceivers. De aangetoonde resultaten stimuleren de realisatie van sterk geïntegreerde en efficiënte optische transceivers om te voldoen aan de groeiende vraag naar datacommunicatie met hoge capaciteit in datacenters en andere toepassingsgebieden.
Geplaatst op: 21 januari 2025