Kompakte opto-elektroanika op basis fan silisiumIQ-modulatorfoar koherinte kommunikaasje mei hege snelheid
De tanimmende fraach nei hegere gegevensoerdrachtsnelheden en enerzjysuniger transceivers yn datasintra hat de ûntwikkeling fan kompakte hege prestaasjes oandreaun.optyske modulatorenOp silisium basearre opto-elektronyske technology (SiPh) is in beloftefol platfoarm wurden foar it yntegrearjen fan ferskate fotonyske komponinten op ien chip, wêrtroch kompakte en kosten-effektive oplossingen mooglik binne. Dit artikel sil in nije drager-ûnderdrukte silisium IQ-modulator ûndersykje basearre op GeSi EAM's, dy't kin operearje op in frekwinsje oant 75 Gbaud.
Apparaatûntwerp en skaaimerken
De foarstelde IQ-modulator brûkt in kompakte struktuer mei trije earms, lykas te sjen is yn figuer 1 (a). Gearstald út trije GeSi EAM en trije termo-optyske fazeferskowers, en hat in symmetryske konfiguraasje. It ynfierljocht wurdt fia in rasterkoppelaar (GC) yn 'e chip keppele en lykmatig ferdield yn trije paden fia in 1×3 multimode-interferometer (MMI). Nei't it troch de modulator en fazeferskower gien is, wurdt it ljocht opnij kombinearre troch in oare 1×3 MMI en dan keppele oan in single-mode glêstried (SSMF).
Figuer 1: (a) Mikroskopyske ôfbylding fan IQ-modulator; (b) – (d) EO S21, ekstinksjeferhâldingsspektrum, en transmissie fan in inkele GeSi EAM; (e) Skematysk diagram fan IQ-modulator en oerienkommende optyske faze fan fazeferskower; (f) Dragerûnderdrukkingsrepresentaasje op it komplekse flak. Lykas te sjen is yn figuer 1 (b), hat GeSi EAM in brede elektro-optyske bânbreedte. Figuer 1 (b) mjitten de S21-parameter fan in inkele GeSi EAM-teststruktuer mei in 67 GHz optyske komponintanalysator (LCA). Figueren 1 (c) en 1 (d) litte respektivelik de statyske ekstinksjeferhâldingsspektra (ER) sjen by ferskate DC-spanningen en de transmissie by in golflingte fan 1555 nanometer.
Lykas te sjen is yn figuer 1 (e), is it wichtichste skaaimerk fan dit ûntwerp de mooglikheid om optyske dragers te ûnderdrukken troch de yntegreare fazeferskower yn 'e middelste earm oan te passen. It fazeferskil tusken de boppeste en ûnderste earm is π/2, brûkt foar komplekse ôfstimming, wylst it fazeferskil tusken de middelste earm -3 π/4 is. Dizze konfiguraasje makket destruktive ynterferinsje mei de drager mooglik, lykas te sjen is yn it komplekse flak fan figuer 1 (f).
Eksperimintele opset en resultaten
De hege-snelheid eksperimintele opstelling wurdt werjûn yn figuer 2 (a). In willekeurige golffoarmgenerator (Keysight M8194A) wurdt brûkt as sinjaalboarne, en twa 60 GHz faze-oanpaste RF-fersterkers (mei yntegreare bias-T-stikken) wurde brûkt as modulatordrivers. De biasspanning fan GeSi EAM is -2,5 V, en in faze-oanpaste RF-kabel wurdt brûkt om elektryske faze-oanpassing tusken de I- en Q-kanalen te minimalisearjen.
Figuer 2: (a) Eksperimintele opstelling mei hege snelheid, (b) Dragerûnderdrukking by 70 Gbaud, (c) Flaterfrekwinsje en datasnelheid, (d) Konstellaasje by 70 Gbaud. Brûk in kommersjele eksterne holtelaser (ECL) mei in linebreedte fan 100 kHz, golflingte fan 1555 nm, en krêft fan 12 dBm as de optyske drager. Nei modulaasje wurdt it optyske sinjaal fersterke mei inerbium-dopearre glêstriedfersterker(EDFA) om te kompensearjen foar koppelingferliezen op 'e chip en ynfoegingsferliezen fan 'e modulator.
Oan 'e ûntfangende kant kontrolearret in Optical Spectrum Analyzer (OSA) it sinjaalspektrum en de ûnderdrukking fan 'e drager, lykas werjûn yn figuer 2 (b) foar in sinjaal fan 70 Gbaud. Brûk in dûbele polarisaasje koherinte ûntfanger om sinjalen te ûntfangen, dy't bestiet út in optyske mixer fan 90 graden en fjouwer40 GHz balansearre fotodiodes, en is ferbûn mei in 33 GHz, 80 GSa/s real-time oscilloskoop (RTO) (Keysight DSOZ634A). De twadde ECL-boarne mei in linebreedte fan 100 kHz wurdt brûkt as in lokale oscillator (LO). Omdat de stjoerder ûnder ienige polarisaasjebetingsten wurket, wurde mar twa elektroanyske kanalen brûkt foar analoog-nei-digitaal konverzje (ADC). De gegevens wurde opnommen op RTO en ferwurke mei in offline digitale sinjaalprosessor (DSP).
Lykas te sjen is yn figuer 2 (c), waard de IQ-modulator test mei it QPSK-modulaasjeformaat fan 40 Gbaud oant 75 Gbaud. De resultaten jouwe oan dat ûnder 7% hurde beslútfoarming foarútgeande flaterkorreksje (HD-FEC) de snelheid 140 Gb/s berikke kin; ûnder de betingst fan 20% sêfte beslútfoarming foarútgeande flaterkorreksje (SD-FEC) kin de snelheid 150 Gb/s berikke. It konstellaasjediagram by 70 Gbaud wurdt werjûn yn figuer 2 (d). It resultaat wurdt beheind troch de oscilloskoopbânbreedte fan 33 GHz, wat lykweardich is oan in sinjaalbânbreedte fan sawat 66 Gbaud.
Lykas te sjen is yn figuer 2 (b), kin de trije-earmstruktuer optyske dragers effektyf ûnderdrukke mei in ûnderdrukkingsrate fan mear as 30 dB. Dizze struktuer fereasket gjin folsleine ûnderdrukking fan 'e drager en kin ek brûkt wurde yn ûntfangers dy't dragertoanen nedich binne om sinjalen te herstellen, lykas Kramer Kronig (KK) ûntfangers. De drager kin oanpast wurde fia in sintrale earmfazeferskower om de winske drager-oant-sydbânferhâlding (CSR) te berikken.
Foardielen en tapassingen
Yn ferliking mei tradisjonele Mach-Zehnder-modulatoren (MZM-modulatoren) en oare opto-elektronyske IQ-modulatoren op basis fan silisium, hat de foarstelde IQ-modulator fan silisium meardere foardielen. Earst is it kompakt fan grutte, mear as 10 kear lytser as IQ-modulatoren basearre opMach Zehnder-modulatoren(útsein bondingpads), wêrtroch't de yntegraasjetichtens tanimt en it chipgebiet ferminderet. Twadder fereasket it ûntwerp fan 'e stapelde elektroden gjin gebrûk fan terminale wjerstannen, wêrtroch't de kapasitans en enerzjy per bit fan it apparaat ferminderet. Tredde, maksimalisearret de ûnderdrukkingsmooglikheden fan 'e drager de reduksje fan it oerdrachtfermogen, wêrtroch't de enerzjy-effisjinsje fierder ferbettere wurdt.
Derneist is de optyske bânbreedte fan GeSi EAM tige breed (mear as 30 nanometer), wêrtroch't de needsaak foar mearkanaals feedbackkontrôlesirkwy's en prosessors om de resonânsje fan mikrogolfmodulatoren (MRM's) te stabilisearjen en te syngronisearjen, eliminearre wurdt, wêrtroch it ûntwerp ferienfâldige wurdt.
Dizze kompakte en effisjinte IQ-modulator is tige geskikt foar nije generaasje, hege kanaaltelling, en lytse koherinte transceivers yn datasintra, wêrtroch't hegere kapasiteit en enerzjysuniger optyske kommunikaasje mooglik is.
De drager-ûnderdrukte silisium IQ-modulator lit poerbêste prestaasjes sjen, mei in gegevensoerdrachtsnelheid oant 150 Gb/s ûnder 20% SD-FEC-omstannichheden. De kompakte 3-armige struktuer basearre op GeSi EAM hat wichtige foardielen op it mêd fan foetôfdruk, enerzjy-effisjinsje en ûntwerp-ienfâld. Dizze modulator hat de mooglikheid om de optyske drager te ûnderdrukken of oan te passen en kin yntegrearre wurde mei koherinte deteksje en Kramer Kronig (KK) deteksjeskema's foar kompakte koherinte transceivers mei meardere linen. De oantoande prestaasjes driuwe de realisaasje fan heech yntegreare en effisjinte optyske transceivers oan om te foldwaan oan 'e groeiende fraach nei gegevenskommunikaasje mei hege kapasiteit yn datasintra en oare fjilden.
Pleatsingstiid: 21 jannewaris 2025