Compact na optoelectronic na nakabatay sa siliconModulator ng IQpara sa mabilis at maayos na komunikasyon
Ang tumataas na pangangailangan para sa mas mataas na bilis ng paghahatid ng data at mas matipid sa enerhiya na mga transceiver sa mga data center ay nagtulak sa pag-unlad ng mga compact high-performance na teknolohiya.mga optical modulatorAng teknolohiyang optoelectronic na nakabatay sa silikon (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. Susuriin ng artikulong ito ang isang nobelang carrier suppressed silicon IQ modulator batay sa GeSi EAMs, na maaaring gumana sa frequency na hanggang 75 Gbaud.
Disenyo at mga katangian ng aparato
Ang iminungkahing IQ modulator ay gumagamit ng isang compact three-arm na istraktura, gaya ng ipinapakita sa Figure 1 (a). Binubuo ng tatlong GeSi EAM at tatlong thermo optical phase shifter, na gumagamit ng simetrikal na configuration. Ang input light ay ikinakabit sa chip sa pamamagitan ng isang grating coupler (GC) at pantay na hinahati sa tatlong path sa pamamagitan ng isang 1×3 multimode interferometer (MMI). Pagkatapos dumaan sa modulator at phase shifter, ang liwanag ay muling pinagsasama ng isa pang 1×3 MMI at pagkatapos ay ikinakabit sa isang single-mode fiber (SSMF).
Pigura 1: (a) Mikroskopikong imahe ng IQ modulator; (b) – (d) EO S21, spectrum ng extinction ratio, at transmittance ng isang GeSi EAM; (e) Eskematikong diagram ng IQ modulator at kaukulang optical phase ng phase shifter; (f) Representasyon ng carrier suppression sa complex plane. Gaya ng ipinapakita sa Pigura 1 (b), ang GeSi EAM ay may malawak na electro-optic bandwidth. Sinukat ng Pigura 1 (b) ang parameter ng S21 ng isang GeSi EAM test structure gamit ang isang 67 GHz optical component analyzer (LCA). Inilalarawan ng mga Pigura 1 (c) at 1 (d) ayon sa pagkakabanggit ang static extinction ratio (ER) spectra sa iba't ibang DC voltages at ang transmission sa wavelength na 1555 nanometers.
Gaya ng ipinapakita sa Figure 1 (e), ang pangunahing katangian ng disenyong ito ay ang kakayahang supilin ang mga optical carrier sa pamamagitan ng pagsasaayos ng integrated phase shifter sa gitnang braso. Ang phase difference sa pagitan ng itaas at ibabang braso ay π/2, na ginagamit para sa kumplikadong pag-tune, habang ang phase difference sa pagitan ng gitnang braso ay -3 π/4. Ang konpigurasyong ito ay nagbibigay-daan para sa mapanirang interference sa carrier, gaya ng ipinapakita sa complex plane ng Figure 1 (f).
Eksperimental na pag-setup at mga resulta
Ang high-speed experimental setup ay ipinapakita sa Figure 2 (a). Isang arbitrary waveform generator (Keysight M8194A) ang ginagamit bilang pinagmumulan ng signal, at dalawang 60 GHz phase matched RF amplifiers (na may integrated bias tees) ang ginagamit bilang modulator drivers. Ang bias voltage ng GeSi EAM ay -2.5 V, at isang phase matched RF cable ang ginagamit upang mabawasan ang electrical phase mismatch sa pagitan ng I at Q channels.
Pigura 2: (a) Mataas na bilis ng eksperimental na pag-setup, (b) Pagpigil sa carrier sa 70 Gbaud, (c) Rate ng error at rate ng data, (d) Konstelasyon sa 70 Gbaud. Gumamit ng isang komersyal na external cavity laser (ECL) na may linewidth na 100 kHz, wavelength na 1555 nm, at power na 12 dBm bilang optical carrier. Pagkatapos ng modulasyon, ang optical signal ay pinapalakas gamit ang isangamplifier ng hibla na may doping erbium(EDFA) upang mabawi ang mga pagkawala ng on-chip coupling at mga pagkawala ng modulator insertion.
Sa receiving end, minomonitor ng Optical Spectrum Analyzer (OSA) ang signal spectrum at carrier suppression, gaya ng ipinapakita sa Figure 2 (b) para sa 70 Gbaud signal. Gumamit ng dual polarization coherent receiver para tumanggap ng mga signal, na binubuo ng 90 degree optical mixer at apat40 GHz na balanseng photodiode, at nakakonekta sa isang 33 GHz, 80 GSa/s real-time oscilloscope (RTO) (Keysight DSOZ634A). Ang pangalawang ECL source na may linewidth na 100 kHz ay ginagamit bilang local oscillator (LO). Dahil ang transmitter ay gumagana 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 isang offline digital signal processor (DSP).
Gaya ng ipinapakita sa Figure 2 (c), ang IQ modulator ay sinubukan gamit ang QPSK modulation format mula 40 Gbaud hanggang 75 Gbaud. Ipinapahiwatig ng mga resulta na sa ilalim ng 7% 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 constellation diagram sa 70 Gbaud ay ipinapakita sa Figure 2 (d). Ang resulta ay limitado ng bandwidth ng oscilloscope na 33 GHz, na katumbas ng signal bandwidth na humigit-kumulang 66 Gbaud.
Gaya ng ipinapakita sa Figure 2 (b), ang istrukturang may tatlong braso ay epektibong kayang supilin ang mga optical carrier na may blanking rate na higit sa 30 dB. Ang istrukturang ito ay hindi nangangailangan ng kumpletong pagsupil sa carrier at maaari ring gamitin sa mga receiver na nangangailangan ng mga carrier tone upang mabawi ang mga signal, tulad ng mga Kramer Kronig (KK) receiver. Ang carrier ay maaaring isaayos sa pamamagitan ng isang central arm phase shifter upang makamit ang ninanais na carrier to sideband ratio (CSR).
Mga Kalamangan at Aplikasyon
Kung ikukumpara sa mga tradisyonal na Mach Zehnder modulator (Mga modulator ng MZM) at iba pang silicon-based optoelectronic IQ modulators, ang iminungkahing silicon IQ modulator ay may maraming bentahe. Una, ito ay siksik sa laki, mahigit 10 beses na mas maliit kaysa sa mga IQ modulators batay saMga modulator ng Mach Zehnder(hindi kasama ang mga bonding pad), kaya pinapataas ang integration density at binabawasan ang chip area. Pangalawa, ang disenyo ng stacked electrode ay hindi nangangailangan ng paggamit ng mga terminal resistor, kaya binabawasan ang capacitance at enerhiya ng device kada bit. Pangatlo, ang kakayahan ng carrier suppression ay nagpapalaki sa pagbawas ng transmission power, na lalong nagpapabuti sa energy efficiency.
Bukod pa rito, ang optical bandwidth ng GeSi EAM ay napakalawak (mahigit 30 nanometer), na nag-aalis ng pangangailangan para sa mga multi-channel feedback control circuit at processor upang patatagin at i-synchronize ang resonance ng mga microwave modulator (MRM), sa gayon ay pinapasimple ang disenyo.
Ang siksik at mahusay na IQ modulator na ito ay lubos na angkop para sa susunod na henerasyon, mataas na bilang ng channel, at maliliit na coherent transceiver sa mga data center, na nagbibigay-daan sa mas mataas na kapasidad at mas matipid sa enerhiya na optical communication.
Ang carrier suppressed silicon IQ modulator ay nagpapakita ng mahusay na pagganap, na may rate ng pagpapadala ng data na hanggang 150 Gb/s sa ilalim ng 20% SD-FEC na mga kondisyon. Ang compact 3-arm na istraktura nito na nakabatay sa GeSi EAM ay may mga makabuluhang bentahe sa mga tuntunin ng footprint, kahusayan sa enerhiya, at pagiging simple ng disenyo. Ang modulator na ito ay may kakayahang sugpuin o isaayos ang optical carrier at maaaring isama sa mga coherent detection at Kramer Kronig (KK) detection scheme para sa mga multi line compact coherent transceiver. Ang mga naipakitang tagumpay ay nagtutulak sa pagsasakatuparan ng mga highly integrated at efficient optical transceiver upang matugunan ang lumalaking demand para sa high-capacity data communication sa mga data center at iba pang larangan.
Oras ng pag-post: Enero 21, 2025