Компактный кремниевый оптоэлектронныйIQ-модулятордля высокоскоростной когерентной связи
Растущий спрос на более высокие скорости передачи данных и более энергоэффективные трансиверы в центрах обработки данных стимулировал разработку компактных высокопроизводительных устройств.оптические модуляторыТехнология кремниевых оптоэлектронных устройств (SiPh) стала перспективной платформой для интеграции различных фотонных компонентов на одном чипе, что позволяет создавать компактные и экономически эффективные решения. В данной статье будет рассмотрен новый кремниевый IQ-модулятор с подавлением несущих на основе GeSi EAM, способный работать на частоте до 75 Гбод.
Конструкция и характеристики устройства
Предлагаемый IQ-модулятор имеет компактную трехплечевую структуру, как показано на рисунке 1 (а). Он состоит из трех GeSi EAM и трех термооптических фазовращателей, имеющих симметричную конфигурацию. Входной свет поступает в чип через дифракционный соединитель (GC) и равномерно разделяется на три пути через многомодовый интерферометр (MMI) 1×3. После прохождения через модулятор и фазовращатель свет рекомбинируется с помощью другого MMI 1×3, а затем подается в одномодовое волокно (SSMF).
Рисунок 1: (a) Микроскопическое изображение IQ-модулятора; (b) – (d) EO S21, спектр коэффициента ослабления и пропускание одиночного GeSi EAM; (e) Схематическое изображение IQ-модулятора и соответствующая оптическая фаза фазового сдвигателя; (f) Представление подавления несущей на комплексной плоскости. Как показано на рисунке 1 (b), GeSi EAM имеет широкую электрооптическую полосу пропускания. На рисунке 1 (b) измерен параметр S21 одиночной тестовой структуры GeSi EAM с использованием анализатора оптических компонентов (LCA) с частотой 67 ГГц. На рисунках 1 (c) и 1 (d) соответственно показаны спектры статического коэффициента ослабления (ER) при различных напряжениях постоянного тока и пропускание на длине волны 1555 нанометров.
Как показано на рисунке 1 (e), главной особенностью этой конструкции является возможность подавления оптических несущих путем регулировки встроенного фазового сдвигателя в среднем плече. Разность фаз между верхним и нижним плечами составляет π/2, что используется для комплексной настройки, а разность фаз между средним плечом составляет -3π/4. Такая конфигурация позволяет осуществлять деструктивную интерференцию с несущей, как показано на комплексной плоскости рисунка 1 (f).
Экспериментальная установка и результаты
Экспериментальная установка для высокоскоростной обработки данных показана на рисунке 2 (а). В качестве источника сигнала используется генератор произвольных сигналов (Keysight M8194A), а в качестве драйверов модулятора — два фазово-согласованных ВЧ-усилителя на 60 ГГц (со встроенными разделителями смещения). Напряжение смещения GeSi EAM составляет -2,5 В, а для минимизации электрического фазового рассогласования между каналами I и Q используется фазово-согласованный ВЧ-кабель.
Рисунок 2: (a) Экспериментальная установка для высокоскоростной обработки данных, (b) Подавление несущей на скорости 70 Гбод, (c) Частота ошибок и скорость передачи данных, (d) Созвездие на скорости 70 Гбод. В качестве оптической несущей используется коммерческий лазер с внешней резонаторной полостью (ECL) с шириной линии 100 кГц, длиной волны 1555 нм и мощностью 12 дБм. После модуляции оптический сигнал усиливается с помощьюволоконный усилитель, легированный эрбием(EDFA) для компенсации потерь связи на кристалле и потерь на вставке модулятора.
На приемной стороне оптический анализатор спектра (OSA) контролирует спектр сигнала и подавление несущей, как показано на рисунке 2 (b) для сигнала 70 Гбод. Для приема сигналов используется когерентный приемник с двойной поляризацией, состоящий из оптического смесителя с углом 90 градусов и четырех40 ГГц симметричные фотодиодыи подключен к осциллографу реального времени (RTO) с частотой 33 ГГц и частотой дискретизации 80 Гвыб/с (Keysight DSOZ634A). Второй источник ЭХЛ с шириной линии 100 кГц используется в качестве гетеродина (LO). Поскольку передатчик работает в условиях однополяризационного режима, для аналого-цифрового преобразования (АЦП) используются только два электронных канала. Данные записываются на RTO и обрабатываются с помощью автономного цифрового сигнального процессора (DSP).
Как показано на рисунке 2 (c), IQ-модулятор был протестирован с использованием формата модуляции QPSK в диапазоне от 40 Гбод до 75 Гбод. Результаты показывают, что при 7% жесткой коррекции ошибок (HD-FEC) скорость может достигать 140 Гбит/с; при 20% мягкой коррекции ошибок (SD-FEC) скорость может достигать 150 Гбит/с. Диаграмма созвездия при 70 Гбод показана на рисунке 2 (d). Результат ограничен полосой пропускания осциллографа в 33 ГГц, что эквивалентно полосе пропускания сигнала приблизительно в 66 Гбод.
Как показано на рисунке 2 (b), трехплечевая структура может эффективно подавлять оптические несущие с коэффициентом гашения, превышающим 30 дБ. Эта структура не требует полного подавления несущей и может также использоваться в приемниках, которым необходимы несущие тона для восстановления сигналов, таких как приемники Крамера-Кронига (KK). Несущую можно регулировать с помощью фазовращателя центрального плеча для достижения желаемого отношения несущей к боковой полосе (CSR).
Преимущества и области применения
По сравнению с традиционными модуляторами Маха-Цендера (Модуляторы MZMВ отличие от других кремниевых оптоэлектронных IQ-модуляторов, предлагаемый кремниевый IQ-модулятор обладает рядом преимуществ. Во-первых, он компактен, более чем в 10 раз меньше, чем IQ-модуляторы на основе кремния.Модуляторы Маха-Цендера(за исключением контактных площадок), что увеличивает плотность интеграции и уменьшает площадь кристалла. Во-вторых, многослойная конструкция электродов не требует использования выводных резисторов, что снижает емкость устройства и энергию на бит. В-третьих, возможность подавления носителей заряда максимально снижает мощность передачи, дополнительно повышая энергоэффективность.
Кроме того, оптическая полоса пропускания GeSi EAM очень широка (более 30 нанометров), что устраняет необходимость в многоканальных схемах обратной связи и процессорах для стабилизации и синхронизации резонанса микроволновых модуляторов (MRM), тем самым упрощая конструкцию.
Этот компактный и эффективный IQ-модулятор идеально подходит для трансиверов следующего поколения с большим количеством каналов и малыми когерентными модуляциями в центрах обработки данных, обеспечивая более высокую пропускную способность и более энергоэффективную оптическую связь.
Кремниевый IQ-модулятор с подавлением несущей демонстрирует превосходные характеристики, обеспечивая скорость передачи данных до 150 Гбит/с при 20% SD-FEC. Его компактная 3-плечевая структура на основе GeSi EAM обладает значительными преимуществами с точки зрения габаритов, энергоэффективности и простоты проектирования. Этот модулятор способен подавлять или регулировать оптическую несущую и может быть интегрирован с когерентным детектированием и детектированием Крамера-Кронига (КК) для многолинейных компактных когерентных трансиверов. Достигнутые результаты способствуют созданию высокоинтегрированных и эффективных оптических трансиверов для удовлетворения растущего спроса на высокоскоростную передачу данных в центрах обработки данных и других областях.
Дата публикации: 21 января 2025 г.