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 модуляторыКремниевая оптоэлектронная технология (SiPh) стала перспективной платформой для интеграции различных фотонных компонентов на одном кристалле, позволяя создавать компактные и экономичные решения. В данной статье рассматривается новый кремниевый IQ-модулятор с подавлением несущей на основе GeSi EAM, способный работать на частоте до 75 Гбод.
Конструкция и характеристики устройства
Предлагаемый IQ-модулятор имеет компактную трёхлучевую структуру, показанную на рисунке 1 (a). Он состоит из трёх GeSi EAM и трёх термооптических фазовращателей, имеющих симметричную конфигурацию. Входной свет поступает в кристалл через решётчатый ответвитель (GC) и равномерно разделяется на три пути через многомодовый интерферометр (MMI) 1×3. После прохождения модулятора и фазовращателя свет рекомбинируется ещё одним MMI 1×3 и затем поступает в одномодовое волокно (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) параметр S21 одной тестовой структуры GeSi EAM был измерен с использованием 67-гигагерцового оптического компонентного анализатора (LCA). На рисунках 1 (c) и 1 (d) соответственно показаны статические спектры коэффициента экстинкции (ER) при различных напряжениях постоянного тока и пропускание на длине волны 1555 нм.
Как показано на рисунке 1 (e), основной особенностью данной конструкции является возможность подавления оптических несущих путём регулировки встроенного 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 с несущей, как показано на комплексной плоскости рисунка 1 (f).
Экспериментальная установка и результаты
Высокоскоростная экспериментальная установка показана на рисунке 2 (а). В качестве источника сигнала используется генератор сигналов произвольной формы (Keysight M8194A), а в качестве драйверов модулятора – два согласованных по фазе ВЧ-усилителя с частотой 60 ГГц (со встроенными тройниками смещения). Напряжение смещения GeSi EAM составляет -2,5 В, а для минимизации электрического фазового рассогласования между каналами I и Q используется согласованный по фазе ВЧ-кабель.
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. В качестве оптической несущей используется коммерческий лазер с внешним резонатором (ECL) с шириной линии 100 кГц, длиной волны 1555 нм и мощностью 12 дБм. После модуляции оптический сигнал усиливается с помощьюусилитель на волокне, легированном эрбием(EDFA) для компенсации потерь на соединение на кристалле и потерь, вносимых модулятором.
На приёмной стороне оптический анализатор спектра (OSA) контролирует спектр сигнала и подавление несущей, как показано на рисунке 2 (b) для сигнала 70 Гбод. Для приёма сигналов используется когерентный приёмник с двойной поляризацией, состоящий из 90-градусного оптического смесителя и четырёхБалансные фотодиоды 40 ГГци подключен к осциллографу реального времени (RTO) 33 ГГц, 80 Гвыб/с (Keysight DSOZ634A). Второй источник ЭСЛ с шириной линии 100 кГц используется в качестве гетеродина (LO). Поскольку 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 (ЦСП).
Как показано на рисунке 2 (c), IQ-модулятор был протестирован с использованием формата модуляции QPSK в диапазоне скоростей от 40 до 75 Гбод. Результаты показывают, что при 7%-ном уровне жёсткого решения прямой коррекции ошибок (HD-FEC) скорость может достигать 140 Гбит/с; при 20%-ном уровне мягкого решения прямой коррекции ошибок (SD-FEC) скорость может достигать 150 Гбит/с. Диаграмма созвездия на скорости 70 Гбод представлена 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), трёхплечевая структура позволяет эффективно подавлять оптические несущие с уровнем подавления, превышающим 30 дБ. Эта структура не требует полного подавления несущей и может использоваться в приёмниках, которым для восстановления сигналов требуются тоны несущей, например, приёмниках Kramer Kronig (KK). Несущую можно регулировать с помощью фазовращателя в центральном плече для достижения желаемого соотношения несущей и боковой полосы (CSR).
Преимущества и применение
По сравнению с традиционными модуляторами Mach Zehnder (Модуляторы МЗМ) и других кремниевых оптоэлектронных IQ-модуляторов, предлагаемый кремниевый IQ-модулятор обладает рядом преимуществ. Во-первых, он компактен, более чем в 10 раз меньше IQ-модуляторов на основеМодуляторы Mach Zehnder(исключая контактные площадки), что повышает плотность интеграции и уменьшает площадь кристалла. Во-вторых, конструкция с многослойными электродами не требует использования терминальных резисторов, что снижает ёмкость устройства и энергозатраты на бит. В-третьих, функция подавления несущей позволяет максимально снизить мощность передачи, что дополнительно повышает энергоэффективность.
Кроме того, оптическая полоса пропускания GeSi EAM очень широка (более 30 нанометров), что исключает необходимость использования многоканальных схем управления с обратной связью и процессоров для стабилизации и синхронизации резонанса микроволновых модуляторов (МРМ), тем самым упрощая конструкцию.
Этот компактный и эффективный IQ-модулятор отлично подходит для многоканальных и небольших когерентных приемопередатчиков следующего поколения 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 SD-FEC 20%. Его компактная трёхлучевая структура на основе GeSi EAM обладает значительными преимуществами с точки зрения занимаемой площади, энергоэффективности и простоты конструкции. Этот модулятор способен подавлять или корректировать оптическую несущую и может быть интегрирован со схемами когерентного детектирования и детектирования Kramer Kronig (KK) для многоканальных компактных когерентных приёмопередатчиков. Продемонстрированные достижения способствуют созданию высокоинтегрированных и эффективных оптических приёмопередатчиков для удовлетворения растущего спроса на высокоскоростную передачу данных в центрах обработки данных и других областях.
Время публикации: 21 января 2025 г.