Kompakts uz silīcija bāzes veidots optoelektronikas elementsIQ modulatorsātrdarbīgai saskaņotai komunikācijai
Pieaugošais pieprasījums pēc lielāka datu pārraides ātruma un energoefektīvākiem raidītājiem/uztvērējiem datu centros ir veicinājis kompaktu, augstas veiktspējas ierīču izstrādi.optiskie modulatoriUz silīcija bāzes veidotā optoelektroniskā tehnoloģija (SiPh) ir kļuvusi par daudzsološu platformu dažādu fotonisko komponentu integrēšanai vienā mikroshēmā, nodrošinot kompaktus un rentablus risinājumus. Šajā rakstā tiks aplūkots jauns nesējviļņu nomākšanas silīcija IQ modulators, kura pamatā ir GeSi EAM un kas var darboties ar frekvenci līdz 75 Gbaud.
Ierīces dizains un raksturlielumi
Piedāvātajam IQ modulatoram ir kompakta trīs sviru struktūra, kā parādīts 1. attēlā (a). Tas sastāv no trim GeSi EAM un trim termooptiskiem fāzes nobīdītājiem, pieņemot simetrisku konfigurāciju. Ievades gaisma tiek savienota ar mikroshēmu caur režģa savienotāju (GC) un vienmērīgi sadalīta trīs ceļos caur 1×3 daudzmodu interferometru (MMI). Pēc gaismas iziešanas caur modulatoru un fāzes nobīdītāju to rekombinē vēl viens 1×3 MMI un pēc tam savieno ar vienmoda šķiedru (SSMF).
1. attēls: (a) IQ modulatora mikroskopiskais attēls; (b)–(d) viena GeSi EAM EO S21, ekstinkcijas attiecības spektrs un caurlaidība; (e) IQ modulatora un atbilstošās fāzes nobīdītāja optiskās fāzes shematiska diagramma; (f) Nesēju slāpēšanas attēlojums kompleksajā plaknē. Kā parādīts 1. attēlā (b), GeSi EAM ir plašs elektrooptiskais joslas platums. 1. attēlā (b) tika mērīts viena GeSi EAM testa struktūras S21 parametrs, izmantojot 67 GHz optisko komponentu analizatoru (LCA). 1. attēlā (c) un 1. attēlā (d) attiecīgi ir attēloti statiskās ekstinkcijas attiecības (ER) spektri pie dažādiem līdzstrāvas spriegumiem un caurlaidība pie 1555 nanometru viļņa garuma.
Kā parādīts 1. attēlā (e), šīs konstrukcijas galvenā iezīme ir spēja nomākt optiskos nesējus, pielāgojot integrēto fāzes nobīdītāju vidējā atzarā. Fāzes starpība starp augšējo un apakšējo atzaru ir π/2, ko izmanto kompleksajai regulēšanai, savukārt fāzes starpība starp vidējo atzaru ir -3 π/4. Šī konfigurācija pieļauj destruktīvus traucējumus nesējam, kā parādīts 1. attēla (f) kompleksajā plaknē.
Eksperimentālā iestatīšana un rezultāti
Lielātruma eksperimentālā iekārta ir parādīta 2. attēlā (a). Kā signāla avots tiek izmantots patvaļīgas viļņu formas ģenerators (Keysight M8194A), un kā modulatoru draiveri tiek izmantoti divi 60 GHz fāzes saskaņoti RF pastiprinātāji (ar integrētiem nobīdes T veida savienotājiem). GeSi EAM nobīdes spriegums ir -2,5 V, un tiek izmantots fāzes saskaņots RF kabelis, lai samazinātu elektrisko fāžu neatbilstību starp I un Q kanāliem.
2. attēls: (a) Liela ātruma eksperimentālā iekārta, (b) Nesējsignāla slāpēšana pie 70 Gbaud, (c) Kļūdu līmenis un datu pārraides ātrums, (d) Zvaigznājs pie 70 Gbaud. Kā optisko nesēju izmanto komerciālu ārējo rezonatora lāzeru (ECL) ar līnijas platumu 100 kHz, viļņa garumu 1555 nm un jaudu 12 dBm. Pēc modulācijas optiskais signāls tiek pastiprināts, izmantojotar erbiju leģēts šķiedru pastiprinātājs(EDFA), lai kompensētu mikroshēmā esošos savienojuma zudumus un modulatora ievietošanas zudumus.
Uztvērēja pusē optiskā spektra analizators (OSA) uzrauga signāla spektru un nesēja slāpēšanu, kā parādīts 2. attēlā (b) 70 Gbaud signālam. Signālu uztveršanai izmantojiet divkāršas polarizācijas koherentu uztvērēju, kas sastāv no 90 grādu optiskā maisītāja un četriem40 GHz balansētas fotodiodes, un ir savienots ar 33 GHz, 80 GSa/s reāllaika osciloskopu (RTO) (Keysight DSOZ634A). Otrais ECL avots ar līnijas platumu 100 kHz tiek izmantots kā lokālais oscilators (LO). Tā kā raidītājs darbojas vienas polarizācijas apstākļos, analogciparu pārveidošanai (ADC) tiek izmantoti tikai divi elektroniskie kanāli. Dati tiek ierakstīti RTO un apstrādāti, izmantojot bezsaistes digitālā signāla procesoru (DSP).
Kā parādīts 2. attēlā (c), IQ modulators tika testēts, izmantojot QPSK modulācijas formātu no 40 Gbaud līdz 75 Gbaud. Rezultāti liecina, ka 7 % stingrās tiešās kļūdu korekcijas (HD-FEC) apstākļos ātrums var sasniegt 140 Gb/s; 20 % mīkstās tiešās kļūdu korekcijas (SD-FEC) apstākļos ātrums var sasniegt 150 Gb/s. Zvaigznājumdiagramma pie 70 Gbaud ir parādīta 2. attēlā (d). Rezultātu ierobežo osciloskopa joslas platums 33 GHz, kas atbilst aptuveni 66 Gbaud signāla joslas platumam.
Kā parādīts 2. attēlā (b), trīs atzaru struktūra var efektīvi apslāpēt optiskos nesējus ar dzēšanas ātrumu, kas pārsniedz 30 dB. Šai struktūrai nav nepieciešama pilnīga nesēja apslāpēšana, un to var izmantot arī uztvērējos, kuriem signālu atgūšanai nepieciešami nesēja toņi, piemēram, Kramer Kronig (KK) uztvērējos. Nesēju var regulēt, izmantojot centrālās atzara fāzes nobīdītāju, lai sasniegtu vēlamo nesēja un sānu joslas attiecību (CSR).
Priekšrocības un pielietojumi
Salīdzinot ar tradicionālajiem Maha-Zehndera modulatoriem (MZM modulatori) un citiem uz silīcija bāzes veidotiem optoelektroniskiem IQ modulatoriem, ierosinātajam silīcija IQ modulatoram ir vairākas priekšrocības. Pirmkārt, tas ir kompakts izmērs, vairāk nekā 10 reizes mazāks nekā IQ modulatori, kuru pamatā irMaha-Zehndera modulatori(izņemot savienojuma kontaktligzdas), tādējādi palielinot integrācijas blīvumu un samazinot mikroshēmas laukumu. Otrkārt, sakrauto elektrodu konstrukcijai nav nepieciešami spaiļu rezistori, tādējādi samazinot ierīces kapacitāti un enerģiju uz bitu. Treškārt, nesēju slāpēšanas spēja maksimāli palielina pārraides jaudas samazinājumu, vēl vairāk uzlabojot energoefektivitāti.
Turklāt GeSi EAM optiskais joslas platums ir ļoti plašs (virs 30 nanometriem), kas novērš nepieciešamību pēc daudzkanālu atgriezeniskās saites vadības shēmām un procesoriem, lai stabilizētu un sinhronizētu mikroviļņu modulatoru (MRM) rezonansi, tādējādi vienkāršojot konstrukciju.
Šis kompaktais un efektīvais IQ modulators ir ļoti piemērots nākamās paaudzes, liela kanālu skaita un maziem koherentiem raidītājiem/uztvērējiem datu centros, nodrošinot lielāku jaudu un energoefektīvāku optisko komunikāciju.
Nesējfrekvenču nomākšanas silīcija IQ modulators demonstrē izcilu veiktspēju, sasniedzot datu pārraides ātrumu līdz 150 Gb/s 20% SD-FEC apstākļos. Tā kompaktajai 3 zaru struktūrai, kuras pamatā ir GeSi EAM, ir ievērojamas priekšrocības attiecībā uz izmēru, energoefektivitāti un dizaina vienkāršību. Šim modulatoram ir iespēja nomākt vai regulēt optisko nesēju, un to var integrēt ar koherentās noteikšanas un Kramer Kronig (KK) noteikšanas shēmām daudzlīniju kompaktiem koherentiem raidītājiem. Demonstrētie sasniegumi veicina augsti integrētu un efektīvu optisko raidītāju ieviešanu, lai apmierinātu pieaugošo pieprasījumu pēc lielas ietilpības datu komunikācijas datu centros un citās jomās.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 21. janvāris