Kompakt kiselbaserad optoelektronikIQ-modulatorför koherent kommunikation med hög hastighet
Den ökande efterfrågan på högre dataöverföringshastigheter och mer energieffektiva sändtagare i datacenter har drivit utvecklingen av kompakta högpresterande datorer.optiska modulatorerKiselbaserad optoelektronisk teknik (SiPh) har blivit en lovande plattform för att integrera olika fotoniska komponenter på ett enda chip, vilket möjliggör kompakta och kostnadseffektiva lösningar. Denna artikel kommer att utforska en ny bärvågsundertryckt kisel-IQ-modulator baserad på GeSi EAM, som kan arbeta med en frekvens på upp till 75 Gbaud.
Enhetsdesign och egenskaper
Den föreslagna IQ-modulatorn använder en kompakt trearmad struktur, som visas i figur 1 (a). Bestående av tre GeSi EAM och tre termooptiska fasskiftare, antar en symmetrisk konfiguration. Ingångsljuset kopplas in i chipet via en gitterkopplare (GC) och delas jämnt i tre banor genom en 1×3 multimodinterferometer (MMI). Efter att ha passerat genom modulatorn och fasskiftaren rekombineras ljuset av ytterligare en 1×3 MMI och kopplas sedan till en singelmodfiber (SSMF).
Figur 1: (a) Mikroskopisk bild av IQ-modulator; (b) – (d) EO S21, extinktionsförhållandespektrum och transmittans för en enda GeSi EAM; (e) Schematiskt diagram över IQ-modulator och motsvarande optisk fas hos fasskiftaren; (f) Bärvågsundertryckningsrepresentation på det komplexa planet. Som visas i figur 1 (b) har GeSi EAM en bred elektrooptisk bandbredd. Figur 1 (b) mätte S21-parametern för en enda GeSi EAM-teststruktur med hjälp av en 67 GHz optisk komponentanalysator (LCA). Figur 1 (c) respektive 1 (d) visar statiska extinktionsförhållande (ER)-spektra vid olika likspänningar och transmissionen vid en våglängd på 1555 nanometer.
Som visas i figur 1 (e) är huvuddragen i denna design möjligheten att undertrycka optiska bärvågor genom att justera den integrerade fasskiftaren i mittarmen. Fasskillnaden mellan den övre och nedre armen är π/2, vilket används för komplex avstämning, medan fasskillnaden mellan mittarmen är -3 π/4. Denna konfiguration möjliggör destruktiv interferens på bärvågen, vilket visas i det komplexa planet i figur 1 (f).
Experimentell uppställning och resultat
Höghastighetsexperimentuppställningen visas i figur 2 (a). En godtycklig vågformsgenerator (Keysight M8194A) används som signalkälla, och två 60 GHz fasanpassade RF-förstärkare (med integrerade bias-T-kopplingar) används som modulatordrivare. Biasspänningen för GeSi EAM är -2,5 V, och en fasanpassad RF-kabel används för att minimera elektrisk fasavvikelse mellan I- och Q-kanalerna.
Figur 2: (a) Experimentell uppställning med hög hastighet, (b) Bärvågsundertryckning vid 70 Gbaud, (c) Felfrekvens och datahastighet, (d) Konstellation vid 70 Gbaud. Använd en kommersiell extern kavitetslaser (ECL) med en linjebredd på 100 kHz, våglängd på 1555 nm och effekt på 12 dBm som optisk bärvåg. Efter modulering förstärks den optiska signalen med hjälp av enerbiumdopad fiberförstärkare(EDFA) för att kompensera för kopplingsförluster på chipet och modulatorinsättningsförluster.
Vid mottagaränden övervakar en optisk spektrumanalysator (OSA) signalspektrumet och bärvågsundertryckningen, som visas i figur 2 (b) för en 70 Gbaud-signal. Använd en dubbelpolariserande koherent mottagare för att ta emot signaler, vilken består av en 90-graders optisk mixer och fyra40 GHz balanserade fotodioder, och är ansluten till ett 33 GHz, 80 GSa/s realtidsoscilloskop (RTO) (Keysight DSOZ634A). Den andra ECL-källan med en linjebredd på 100 kHz används som en lokal oscillator (LO). Eftersom sändaren arbetar under enstaka polarisationsförhållanden används endast två elektroniska kanaler för analog-till-digital-omvandling (ADC). Data registreras på RTO och bearbetas med en offline digital signalprocessor (DSP).
Som visas i figur 2 (c) testades IQ-modulatorn med QPSK-moduleringsformat från 40 Gbaud till 75 Gbaud. Resultaten indikerar att under 7 % hård felkorrigering (HD-FEC) kan hastigheten nå 140 Gb/s; under 20 % mjuk felkorrigering (SD-FEC) kan hastigheten nå 150 Gb/s. Konstellationsdiagrammet vid 70 Gbaud visas i figur 2 (d). Resultatet begränsas av oscilloskopets bandbredd på 33 GHz, vilket motsvarar en signalbandbredd på cirka 66 Gbaud.
Som visas i figur 2 (b) kan trearmsstrukturen effektivt undertrycka optiska bärvågor med en blankningfrekvens som överstiger 30 dB. Denna struktur kräver inte fullständig undertryckning av bärvågen och kan även användas i mottagare som kräver bärvågstoner för att återställa signaler, såsom Kramer Kronig (KK)-mottagare. Bärvågen kan justeras med en central armfasskiftare för att uppnå önskat bärvågs-sidbandsförhållande (CSR).
Fördelar och tillämpningar
Jämfört med traditionella Mach-Zehnder-modulatorer (MZM-modulatorer) och andra kiselbaserade optoelektroniska IQ-modulatorer, har den föreslagna kisel-IQ-modulatorn flera fördelar. För det första är den kompakt i storlek, mer än 10 gånger mindre än IQ-modulatorer baserade påMach-Zehnder-modulatorer(exklusive bonding pads), vilket ökar integrationstätheten och minskar chip-arean. För det andra kräver den staplade elektrodkonstruktionen inte användning av terminalmotstånd, vilket minskar enhetens kapacitans och energi per bit. För det tredje maximerar bärvågsundertryckningsförmågan minskningen av sändningseffekten, vilket ytterligare förbättrar energieffektiviteten.
Dessutom är den optiska bandbredden för GeSi EAM mycket bred (över 30 nanometer), vilket eliminerar behovet av flerkanaliga återkopplingskretsar och processorer för att stabilisera och synkronisera resonansen hos mikrovågsmodulatorer (MRM), vilket förenklar designen.
Denna kompakta och effektiva IQ-modulator är mycket lämplig för nästa generations små koherenta transceivers med stort kanalantal i datacenter, vilket möjliggör högre kapacitet och mer energieffektiv optisk kommunikation.
Den bärvågsdämpade kisel-IQ-modulatorn uppvisar utmärkt prestanda, med en dataöverföringshastighet på upp till 150 Gb/s under 20 % SD-FEC-förhållanden. Dess kompakta 3-armsstruktur baserad på GeSi EAM har betydande fördelar när det gäller fotavtryck, energieffektivitet och enkel design. Denna modulator har förmågan att undertrycka eller justera den optiska bärvågen och kan integreras med koherent detektion och Kramer Kronig (KK) detektionsscheman för flerlinjers kompakta koherenta transceivrar. De demonstrerade prestationerna driver realiseringen av högintegrerade och effektiva optiska transceivrar för att möta den växande efterfrågan på högkapacitetsdatakommunikation i datacenter och andra områden.
Publiceringstid: 21 januari 2025