Компактний оптоелектронний пристрій на основі кремніюМодулятор IQдля високошвидкісного когерентного зв'язку
Зростаючий попит на вищі швидкості передачі даних та більш енергоефективні приймачі-передавачі в центрах обробки даних стимулював розробку компактних високопродуктивних...оптичні модуляториКремнієва оптоелектронна технологія (SiPh) стала перспективною платформою для інтеграції різних фотонних компонентів на одному кристалі, що дозволяє створювати компактні та економічно ефективні рішення. У цій статті буде досліджено новий кремнієвий IQ-модулятор з пригніченням носіїв заряду на основі GeSi EAM, який може працювати на частоті до 75 Гбод.
Конструкція та характеристики пристрою
Запропонований IQ-модулятор має компактну триплечу структуру, як показано на рисунку 1 (а). Складається з трьох GeSi EAM та трьох термооптичних фазообертачів, що мають симетричну конфігурацію. Вхідне світло подається на кристал через ґратчастий відгалужувач (GC) та рівномірно розділяється на три шляхи за допомогою багатомодового інтерферометра (MMI) 1×3. Після проходження через модулятор та фазообертач світло рекомбінується іншим MMI 1×3, а потім підключається до одномодового волокна (SSMF).
Рисунок 1: (a) Мікроскопічне зображення IQ модулятора; (b) – (d) EO S21, спектр коефіцієнта згасання та пропускання окремого GeSi EAM; (e) Принципова схема IQ модулятора та відповідної оптичної фази фазозсувача; (f) Представлення придушення носіїв на комплексній площині. Як показано на рисунку 1 (b), GeSi EAM має широку електрооптичну смугу пропускання. На рисунку 1 (b) виміряно параметр S21 окремої тестової структури GeSi EAM за допомогою аналізатора оптичних компонентів (LCA) з частотою 67 ГГц. На рисунках 1 (c) та 1 (d) відповідно зображено спектри статичного коефіцієнта згасання (ER) при різних напругах постійного струму та пропускання на довжині хвилі 1555 нанометрів.
Як показано на рисунку 1 (e), головною особливістю цієї конструкції є можливість придушення оптичних несучих шляхом регулювання вбудованого фазообертача в середньому плечі. Різниця фаз між верхнім і нижнім плечима становить π/2, що використовується для комплексного налаштування, тоді як різниця фаз між середнім плечем становить -3 π/4. Така конфігурація дозволяє створювати деструктивні інтерференції для несучої, як показано на комплексній площині рисунка 1 (f).
Експериментальна установка та результати
Високошвидкісна експериментальна установка показана на рисунку 2 (а). Як джерело сигналу використовується генератор довільних сигналів (Keysight M8194A), а як драйвери модуляторів використовуються два фазово узгоджені ВЧ-підсилювачі 60 ГГц (з інтегрованими трійниками зміщення). Напруга зміщення GeSi EAM становить -2,5 В, а для мінімізації електричної невідповідності фаз між каналами I та Q використовується фазово узгоджений ВЧ-кабель.
Рисунок 2: (a) Високошвидкісна експериментальна установка, (b) Придушення несучої на швидкості 70 Гбод, (c) Коефіцієнт помилок та швидкість передачі даних, (d) Сузір'я на швидкості 70 Гбод. Використовуйте комерційний лазер із зовнішнім резонатором (ECL) з шириною лінії 100 кГц, довжиною хвилі 1555 нм та потужністю 12 дБм як оптичну несучу. Після модуляції оптичний сигнал посилюється за допомогоюволоконний підсилювач, легований ербієм(EDFA) для компенсації втрат на зв'язку на кристалі та внесених втрат модулятора.
На приймальному кінці оптичний аналізатор спектру (OSA) контролює спектр сигналу та придушення несучої, як показано на рисунку 2 (b) для сигналу зі швидкістю 70 Гбод. Для прийому сигналів використовується когерентний приймач з подвійною поляризацією, який складається з оптичного змішувача з кутом нахилу 90 градусів та чотирьох...Збалансовані фотодіоди 40 ГГц, і підключено до осцилографа реального часу (RTO) 33 ГГц, 80 Гвиб/с (Keysight DSOZ634A). Друге джерело ECL з шириною лінії 100 кГц використовується як гетеродин (LO). Через те, що передавач працює в умовах однополяризації, для аналого-цифрового перетворення (АЦП) використовуються лише два електронні канали. Дані записуються на RTO та обробляються за допомогою автономного цифрового сигнального процесора (DSP).
Як показано на рисунку 2 (c), модулятор IQ було протестовано з використанням формату модуляції QPSK від 40 Гбод до 75 Гбод. Результати показують, що за умов 7% жорсткої корекції помилок прямого рішення (HD-FEC) швидкість може досягати 140 Гбіт/с; за умови 20% м'якої корекції помилок прямого рішення (SD-FEC) швидкість може досягати 150 Гбіт/с. Діаграма сузір'їв при 70 Гбод показана на рисунку 2 (d). Результат обмежений пропускною здатністю осцилографа 33 ГГц, що еквівалентно пропускній здатності сигналу приблизно 66 Гбод.
Як показано на рисунку 2 (b), триплечева структура може ефективно придушувати оптичні несучі з коефіцієнтом гасіння понад 30 дБ. Ця структура не вимагає повного придушення несучої та також може використовуватися в приймачах, яким потрібні тони несучої для відновлення сигналів, таких як приймачі Kramer Kronig (KK). Несучу можна регулювати за допомогою фазозсуву центрального плеча для досягнення бажаного співвідношення несучої до бічної смуги (CSR).
Переваги та застосування
Порівняно з традиційними модуляторами Маха-Цендера (Модулятори MZM) та інших кремнієвих оптоелектронних IQ-модуляторів, запропонований кремнієвий IQ-модулятор має численні переваги. По-перше, він компактний за розміром, більш ніж у 10 разів менший, ніж IQ-модулятори на основіМодулятори Маха-Цендера(за винятком контактних площадок), що збільшує щільність інтеграції та зменшує площу кристала. По-друге, конструкція зі складеними електродами не вимагає використання кінцевих резисторів, що зменшує ємність пристрою та енергію на біт. По-третє, здатність придушувати носіїв максимізує зменшення потужності передачі, що ще більше підвищує енергоефективність.
Крім того, оптична смуга пропускання GeSi EAM дуже широка (понад 30 нанометрів), що усуває необхідність у багатоканальних схемах керування зі зворотним зв'язком та процесорах для стабілізації та синхронізації резонансу мікрохвильових модуляторів (MRM), тим самим спрощуючи конструкцію.
Цей компактний та ефективний IQ-модулятор чудово підходить для когерентних приймачів наступного покоління з великою кількістю каналів та малих когерентних приймачів у центрах обробки даних, забезпечуючи вищу пропускну здатність та енергоефективніший оптичний зв'язок.
Кремнієвий IQ-модулятор з придушенням несучої демонструє чудову продуктивність, зі швидкістю передачі даних до 150 Гбіт/с за умов 20% SD-FEC. Його компактна 3-плечева структура на основі GeSi EAM має значні переваги з точки зору розміру, енергоефективності та простоти конструкції. Цей модулятор має здатність придушувати або регулювати оптичну несучу та може бути інтегрований зі схемами когерентного детектування та детектування Kramer Kronig (KK) для багатолінійних компактних когерентних приймачів. Продемонстровані досягнення сприяють реалізації високоінтегрованих та ефективних оптичних приймачів для задоволення зростаючого попиту на високопродуктивний зв'язок даних у центрах обробки даних та інших галузях.
Час публікації: 21 січня 2025 р.