Kompakt silikonbaserad optoelektroniskIQ-modulatorför sammanhängande höghastighetskommunikation
Den ökande efterfrågan på högre dataöverföringshastigheter och mer energieffektiva sändtagare i datacenter har drivit utvecklingen av kompakta högpresterandeoptiska modulatorer. Kiselbaserad optoelektronisk teknologi (SiPh) har blivit en lovande plattform för att integrera olika fotoniska komponenter på ett enda chip, vilket möjliggör kompakta och kostnadseffektiva lösningar. Den här artikeln kommer att utforska en ny bärvågsundertryckt kisel IQ-modulator baserad på GeSi EAMs, som kan arbeta med en frekvens på upp till 75 Gbaud.
Enhetens design och egenskaper
Den föreslagna IQ-modulatorn antar en kompakt trearmsstruktur, som visas i figur 1 (a). Består av tre GeSi EAM och tre termooptiska fasskiftare, som antar en symmetrisk konfiguration. Ingångsljuset kopplas in i chippet genom en gitterkopplare (GC) och jämnt uppdelat i tre banor genom en 1×3 multimode interferometer (MMI). Efter att ha passerat genom modulatorn och fasskiftaren, kombineras ljuset med ytterligare 1×3 MMI och kopplas sedan till en enkelmodsfiber (SSMF).
Figur 1: (a) Mikroskopisk bild av IQ-modulator; (b) – (d) EO S21, extinktionsförhållandespektrum och transmittans för en enda GeSi EAM; (e) Schematiskt diagram av IQ-modulator och motsvarande optiska fas för fasskiftaren; (f) Bärarundertryckningsrepresentation 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 en 67 GHz optisk komponentanalysator (LCA). Figurerna 1 (c) respektive 1 (d) visar det statiska utsläckningsförhållandet (ER)-spektra vid olika DC-spänningar och transmissionen vid en våglängd av 1555 nanometer.
Som visas i figur 1 (e) är huvuddraget i denna design förmågan att undertrycka optiska bärare genom att justera den integrerade fasförskjutaren i mittarmen. Fasskillnaden mellan över- och underarmen är π/2, som används för komplex avstämning, medan fasskillnaden mellan mellanarmen är -3 π/4. Denna konfiguration tillåter destruktiv interferens på bäraren, såsom 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 fasmatchade RF-förstärkare (med integrerade bias-tees) används som modulatordrivrutiner. Förspänningen för GeSi EAM är -2,5 V, och en fasmatchad RF-kabel används för att minimera elektrisk fasfel mellan I- och Q-kanalerna.
Figur 2: (a) Höghastighetsexperimentuppställning, (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 en effekt på 12 dBm som optisk bärare. Efter modulering förstärks den optiska signalen med enerbiumdopad fiberförstärkare(EDFA) för att kompensera för kopplingsförluster på chipet och förluster av modulatorinsättning.
I den mottagande änden övervakar en optisk spektrumanalysator (OSA) signalspektrum- och bärvågsundertryckningen, som visas i figur 2 (b) för en 70 Gbaud-signal. Använd en koherent dubbelpolarisationsmottagare för att ta emot signaler, som 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). På grund av att sändaren arbetar under enkelpolarisationsförhållanden, används endast två elektroniska kanaler för analog-till-digital konvertering (ADC). Data registreras på RTO och bearbetas med en offline digital signalprocessor (DSP).
Som visas i figur 2 (c) testades IQ-modulatorn med QPSK-modulationsformat från 40 Gbaud till 75 Gbaud. Resultaten indikerar att under 7 % hårda beslut framåt felkorrigering (HD-FEC) förhållanden kan hastigheten nå 140 Gb/s; Under villkoret 20 % mjukt beslut framåt 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.
Såsom visas i figur 2 (b) kan trearmsstrukturen effektivt undertrycka optiska bärare med en släckningshastighet 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 genom en central arm fasskiftare för att uppnå önskat förhållande mellan bärvåg och sidband (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 storleken, mer än 10 gånger mindre än IQ-modulatorer baserade påMach Zehnder modulatorer(exklusive bindningsdynor), vilket ökar integrationstätheten och minskar spånytan. För det andra kräver den staplade elektroddesignen inte användning av terminalmotstånd, vilket reducerar enhetens kapacitans och energi per bit. För det tredje maximerar bärvågsundertryckningsförmågan minskningen av överföringseffekten, vilket ytterligare förbättrar energieffektiviteten.
Dessutom är den optiska bandbredden för GeSi EAM mycket bred (över 30 nanometer), vilket eliminerar behovet av flerkanaliga återkopplingsstyrkretsar 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, högt kanalantal och små sammanhängande transceivrar i datacenter, vilket möjliggör högre kapacitet och mer energieffektiv optisk kommunikation.
Den bärvågsundertryckta kisel IQ-modulatorn uppvisar utmärkt prestanda, med en dataöverföringshastighet på upp till 150 Gb/s under 20 % SD-FEC-förhållanden. Dess kompakta 3-armade struktur baserad på GeSi EAM har betydande fördelar när det gäller fotavtryck, energieffektivitet och designenkelhet. Denna modulator har förmågan att undertrycka eller justera den optiska bärvågen och kan integreras med koherent detektering och Kramer Kronig (KK) detekteringsscheman för flerlinjes kompakta koherenta sändtagare. De demonstrerade prestationerna driver förverkligandet av mycket integrerade och effektiva optiska sändtagare för att möta den växande efterfrågan på högkapacitetsdatakommunikation i datacenter och andra områden.
Posttid: 2025-jan-21