Компактный кремниевый оптоэлектронныймодулятор IQдля высокоскоростной когерентной связи
Растущий спрос на более высокие скорости передачи данных и более энергоэффективные приемопередатчики в центрах обработки данных привел к разработке компактных высокопроизводительныхоптические модуляторы. Оптоэлектронная технология на основе кремния (SiPh) стала перспективной платформой для интеграции различных фотонных компонентов на одном чипе, что позволяет создавать компактные и экономически эффективные решения. В этой статье будет рассмотрен новый кремниевый IQ-модулятор с подавлением несущей на основе GeSi EAM, который может работать на частоте до 75 Гбод.
Конструкция и характеристики устройства
Предлагаемый модулятор IQ использует компактную трехплечевую структуру, как показано на рисунке 1 (a). Состоит из трех GeSi EAM и трех термооптических фазовращателей, принимая симметричную конфигурацию. Входной свет соединяется с чипом через решетчатый соединитель (GC) и равномерно делится на три пути через многомодовый интерферометр (MMI) 1×3. После прохождения через модулятор и фазовращатель свет рекомбинируется другим MMI 1×3, а затем соединяется с одномодовым волокном (SSMF).
Рисунок 1: (a) Микроскопическое изображение IQ-модулятора; (b) – (d) EO S21, спектр коэффициента экстинкции и коэффициент пропускания одного GeSi EAM; (e) Принципиальная схема IQ-модулятора и соответствующая оптическая фаза фазовращателя; (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 одной тестовой структуры GeSi EAM с использованием оптического компонентного анализатора (LCA) 67 ГГц. На рисунках 1 (c) и 1 (d) соответственно изображены статические спектры коэффициента экстинкции (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 интегрированного фазовращателя в среднем плече. Разность фаз между верхним и нижним плечами составляет π/2, что используется для комплексной настройки, в то время как разность фаз между средним плечом составляет -3 π/4. Такая конфигурация допускает деструктивную интерференцию несущей, как показано на комплексной плоскости рисунка 1 (f).
Экспериментальная установка и результаты
Высокоскоростная экспериментальная установка показана на рисунке 2 (a). Генератор сигналов произвольной формы (Keysight M8194A) используется в качестве источника сигнала, а два согласованных по фазе ВЧ-усилителя 60 ГГц (со встроенными тройниками смещения) используются в качестве драйверов модулятора. Напряжение смещения GeSi EAM составляет -2,5 В, а согласованный по фазе ВЧ-кабель используется для минимизации электрического фазового рассогласования между каналами I и Q.
Рисунок 2: (a) Высокоскоростная экспериментальная установка, (b) Подавление несущей на скорости 70 Гбод, (c) Частота ошибок и скорость передачи данных, (d) Созвездие на скорости 70 Гбод. Используйте коммерческий внешний резонаторный лазер (ECL) с шириной линии 100 кГц, длиной волны 1555 нм и мощностью 12 дБм в качестве оптической несущей. После модуляции оптический сигнал усиливается с помощьюусилитель на волокне, легированном эрбием(EDFA) для компенсации потерь связи на кристалле и потерь, вносимых модулятором.
На приемном конце оптический анализатор спектра (OSA) контролирует спектр сигнала и подавление несущей, как показано на рисунке 2 (b) для сигнала 70 Гбод. Используйте когерентный приемник с двойной поляризацией для приема сигналов, который состоит из оптического смесителя на 90 градусов и четырехСбалансированные фотодиоды 40 ГГц, и подключен к осциллографу реального времени 33 ГГц, 80 Гвыб/с (RTO) (Keysight DSOZ634A). Второй источник ECL с шириной линии 100 кГц используется в качестве гетеродина (LO). В связи с тем, что передатчик работает в условиях одной поляризации, 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), модулятор IQ был протестирован с использованием формата модуляции QPSK от 40 Гбод до 75 Гбод. Результаты показывают, что при 7% условиях жесткого решения прямой коррекции ошибок (HD-FEC) скорость может достигать 140 Гбит/с; при условии 20% мягкого решения прямой 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 33 ГГц, что эквивалентно полосе пропускания сигнала приблизительно 66 Гбод.
Как показано на рисунке 2 (b), трехплечевая структура может эффективно подавлять оптические несущие с частотой гашения, превышающей 30 дБ. Эта структура не требует полного подавления несущей и может также использоваться в приемниках, которым для восстановления сигналов требуются несущие тоны, например, в приемниках Kramer Kronig (KK). Несущая может быть отрегулирована с помощью фазовращателя центрального плеча для достижения желаемого отношения несущей к боковой полосе (CSR).
Преимущества и применение
По сравнению с традиционными модуляторами Mach Zehnder (Модуляторы МЗМ) и других кремниевых оптоэлектронных IQ-модуляторов, предлагаемый кремниевый IQ-модулятор имеет множество преимуществ. Во-первых, он компактен по размеру, более чем в 10 раз меньше IQ-модуляторов на основеМодуляторы Mach Zehnder(исключая контактные площадки), тем самым увеличивая плотность интеграции и уменьшая площадь чипа. Во-вторых, конструкция сложенных электродов не требует использования терминальных резисторов, тем самым уменьшая емкость устройства и энергию на бит. В-третьих, возможность подавления несущей максимизирует снижение мощности передачи, дополнительно повышая энергоэффективность.
Кроме того, оптическая полоса пропускания GeSi EAM очень широка (более 30 нанометров), что исключает необходимость в многоканальных схемах управления с обратной связью и процессорах для стабилизации и синхронизации резонанса микроволновых модуляторов (МРМ), тем самым упрощая конструкцию.
Этот компактный и эффективный IQ-модулятор отлично подходит для нового поколения многоканальных и небольших когерентных приемопередатчиков в центрах обработки данных, обеспечивая более высокую пропускную способность и более энергоэффективную оптическую связь.
Кремниевый IQ-модулятор с подавлением несущей демонстрирует превосходную производительность со скоростью передачи данных до 150 Гбит/с при 20% SD-FEC. Его компактная 3-плечевая структура на основе GeSi EAM имеет значительные преимущества с точки зрения занимаемой площади, энергоэффективности и простоты конструкции. Этот модулятор способен подавлять или регулировать оптическую несущую и может быть интегрирован со схемами когерентного обнаружения и обнаружения Kramer Kronig (KK) для многолинейных компактных когерентных трансиверов. Продемонстрированные достижения стимулируют реализацию высокоинтегрированных и эффективных оптических трансиверов для удовлетворения растущего спроса на передачу данных с высокой пропускной способностью в центрах обработки данных и других областях.
Время публикации: 21 января 2025 г.