Para sa high-speed coherent communication compact silicon-based optoelectronic IQ modulator

Compact silicon-based optoelectronicIQ modulatorpara sa high-speed coherent na komunikasyon
Ang pagtaas ng demand para sa mas mataas na mga rate ng paghahatid ng data at mas maraming enerhiya-efficient transceiver sa mga data center ay nagtulak sa pagbuo ng compact high-performance.optical modulators. Ang Silicon based optoelectronic technology (SiPh) ay naging isang promising platform para sa pagsasama ng iba't ibang photonic component sa isang chip, na nagbibigay-daan sa mga compact at cost-effective na solusyon. I-explore ng artikulong ito ang isang novel carrier suppressed silicon IQ modulator batay sa mga GeSi EAM, na maaaring gumana sa dalas ng hanggang 75 Gbaud.
Disenyo at katangian ng device
Ang iminungkahing IQ modulator ay gumagamit ng isang compact na tatlong braso na istraktura, tulad ng ipinapakita sa Figure 1 (a). Binubuo ng tatlong GeSi EAM at tatlong thermo optical phase shifter, na gumagamit ng simetriko na pagsasaayos. Ang input light ay isinasama sa chip sa pamamagitan ng grating coupler (GC) at pantay na nahahati sa tatlong path sa pamamagitan ng 1×3 multimode interferometer (MMI). Pagkatapos na dumaan sa modulator at phase shifter, ang ilaw ay muling pinagsama ng isa pang 1×3 MMI at pagkatapos ay isinama sa isang single-mode fiber (SSMF).

Figure 1: (a) Microscopic na imahe ng IQ modulator; (b) – (d) EO S21, extinction ratio spectrum, at transmittance ng isang GeSi EAM; (e) Schematic diagram ng IQ modulator at kaukulang optical phase ng phase shifter; (f) Representasyon ng pagsugpo sa carrier sa kumplikadong eroplano. Tulad ng ipinapakita sa Figure 1 (b), ang GeSi EAM ay may malawak na electro-optic bandwidth. Sinukat ng Figure 1 (b) ang parameter ng S21 ng isang istraktura ng pagsubok ng GeSi EAM gamit ang isang 67 GHz optical component analyzer (LCA). Ang mga figure 1 (c) at 1 (d) ayon sa pagkakabanggit ay inilalarawan ang static extinction ratio (ER) spectra sa iba't ibang DC voltages at ang transmission sa wavelength na 1555 nanometer.
Tulad ng ipinapakita sa Figure 1 (e), ang pangunahing tampok ng disenyo na ito ay ang kakayahang sugpuin ang mga optical carrier sa pamamagitan ng pagsasaayos ng integrated phase shifter sa gitnang braso. Ang phase difference sa pagitan ng upper at lower arm ay π/2, na ginagamit para sa complex tuning, habang ang phase difference sa pagitan ng middle arm ay -3 π/4. Ang pagsasaayos na ito ay nagbibigay-daan para sa mapanirang panghihimasok sa carrier, tulad ng ipinapakita sa kumplikadong eroplano ng Figure 1 (f).
Pang-eksperimentong pag-setup at mga resulta
Ang high-speed experimental setup ay ipinapakita sa Figure 2 (a). Ginagamit ang isang arbitrary waveform generator (Keysight M8194A) bilang pinagmumulan ng signal, at dalawang 60 GHz phase matched RF amplifier (na may pinagsamang bias tee) ang ginagamit bilang mga modulator driver. Ang bias na boltahe ng GeSi EAM ay -2.5 V, at ginagamit ang isang phase na katugmang RF cable para mabawasan ang electrical phase mismatch sa pagitan ng I at Q channel.
Figure 2: (a) High speed experimental setup, (b) Carrier suppression sa 70 Gbaud, (c) Error rate at data rate, (d) Constellation sa 70 Gbaud. Gumamit ng commercial external cavity laser (ECL) na may linewidth na 100 kHz, wavelength na 1555 nm, at kapangyarihan na 12 dBm bilang optical carrier. Pagkatapos ng modulasyon, ang optical signal ay pinalakas gamit ang isangerbium-doped fiber amplifier(EDFA) upang mabayaran ang pagkalugi sa on-chip coupling at pagkawala ng modulator insertion.
Sa receiving end, sinusubaybayan ng Optical Spectrum Analyzer (OSA) ang signal spectrum at carrier suppression, tulad ng ipinapakita sa Figure 2 (b) para sa 70 Gbaud signal. Gumamit ng dual polarization coherent receiver para makatanggap ng mga signal, na binubuo ng 90 degree optical mixer at apat40 GHz balanseng photodiodes, at nakakonekta sa isang 33 GHz, 80 GSa/s real-time na oscilloscope (RTO) (Keysight DSOZ634A). Ang pangalawang pinagmulan ng ECL na may linewidth na 100 kHz ay ​​ginagamit bilang isang lokal na oscillator (LO). Dahil sa nagpapatakbo ng transmitter sa ilalim ng iisang kondisyon ng polarization, dalawang electronic channel lamang ang ginagamit para sa analog-to-digital conversion (ADC). Ang data ay naitala sa RTO at pinoproseso gamit ang offline na digital signal processor (DSP).
Tulad ng ipinapakita sa Figure 2 (c), ang IQ modulator ay sinubukan gamit ang QPSK modulation format mula 40 Gbaud hanggang 75 Gbaud. Ang mga resulta ay nagpapahiwatig na sa ilalim ng 7% na hard decision forward error correction (HD-FEC) na mga kondisyon, ang rate ay maaaring umabot sa 140 Gb/s; Sa ilalim ng kondisyon ng 20% ​​soft decision forward error correction (SD-FEC), ang bilis ay maaaring umabot sa 150 Gb/s. Ang diagram ng konstelasyon sa 70 Gbaud ay ipinapakita sa Figure 2 (d). Ang resulta ay limitado ng oscilloscope bandwidth na 33 GHz, na katumbas ng signal bandwidth na humigit-kumulang 66 Gbaud.

Tulad ng ipinapakita sa Figure 2 (b), ang istraktura ng tatlong braso ay maaaring epektibong sugpuin ang mga optical carrier na may blanking rate na higit sa 30 dB. Ang istrukturang ito ay hindi nangangailangan ng kumpletong pagsugpo sa carrier at maaari ding gamitin sa mga receiver na nangangailangan ng mga carrier tone upang mabawi ang mga signal, tulad ng mga Kramer Kronig (KK) receiver. Maaaring iakma ang carrier sa pamamagitan ng central arm phase shifter upang makamit ang ninanais na carrier sa sideband ratio (CSR).
Mga Bentahe at Aplikasyon
Kumpara sa tradisyonal na Mach Zehnder modulators (Mga modulator ng MZM) at iba pang mga optoelectronic IQ modulator na nakabatay sa silikon, ang iminungkahing silicon IQ modulator ay may maraming pakinabang. Una, ito ay compact sa laki, higit sa 10 beses na mas maliit kaysa sa IQ modulators batay saMga modulator ng Mach Zehnder(hindi kasama ang mga bonding pad), kaya tumataas ang density ng integration at binabawasan ang lugar ng chip. Pangalawa, ang nakasalansan na disenyo ng elektrod ay hindi nangangailangan ng paggamit ng mga terminal resistors, sa gayon ay binabawasan ang kapasidad ng aparato at enerhiya bawat bit. Pangatlo, pinapalaki ng kakayahan ng carrier suppression ang pagbawas ng kapangyarihan ng transmission, at higit na pinapabuti ang kahusayan ng enerhiya.
Bilang karagdagan, ang optical bandwidth ng GeSi EAM ay napakalawak (mahigit sa 30 nanometer), inaalis ang pangangailangan para sa mga multi-channel na feedback control circuit at mga processor upang patatagin at i-synchronize ang resonance ng microwave modulators (MRMs), at sa gayon ay pinapasimple ang disenyo.
Ang compact at mahusay na IQ modulator na ito ay lubos na angkop para sa susunod na henerasyon, mataas na bilang ng channel, at maliliit na magkakaugnay na transceiver sa mga sentro ng data, na nagbibigay-daan sa mas mataas na kapasidad at mas mahusay sa enerhiya na optical na komunikasyon.
Ang carrier suppressed silicon IQ modulator ay nagpapakita ng mahusay na pagganap, na may rate ng paghahatid ng data na hanggang 150 Gb/s sa ilalim ng 20% ​​na mga kundisyon ng SD-FEC. Ang compact na 3-braso na istraktura nito batay sa GeSi EAM ay may malaking pakinabang sa mga tuntunin ng footprint, kahusayan sa enerhiya, at pagiging simple ng disenyo. Ang modulator na ito ay may kakayahang sugpuin o ayusin ang optical carrier at maaaring isama sa magkakaugnay na pagtuklas at mga scheme ng pagtuklas ng Kramer Kronig (KK) para sa mga multi-line compact na magkakaugnay na transceiver. Ang mga ipinakitang tagumpay ay nagtutulak sa pagsasakatuparan ng lubos na pinagsama at mahusay na optical transceiver upang matugunan ang lumalaking pangangailangan para sa mataas na kapasidad na komunikasyon ng data sa mga sentro ng data at iba pang larangan.