Kompakt Siliziumbaséiert OptoelektronikIQ-Modulatorfir kohärent Kommunikatioun mat héijer Geschwindegkeet
Déi wuessend Nofro no méi héijen Dateniwwerdroungsraten a méi energieeffizienten Transceiver an Datenzentren huet d'Entwécklung vu kompakten Héichleistungs-Transceiveren ugedriwwen.optesch ModulatorenSiliziumbaséiert optoelektronesch Technologie (SiPh) ass zu enger villverspriechender Plattform fir d'Integratioun vu verschiddene photonesche Komponenten op engem eenzege Chip ginn, wat kompakt a käschtegënschteg Léisunge erméiglecht. Dësen Artikel ënnersicht en neien Trägerënnerdréckten Silizium-IQ-Modulator baséiert op GeSi EAMs, deen mat enger Frequenz vu bis zu 75 Gbaud funktionéiere kann.
Design an Eegeschafte vum Apparat
De proposéierte IQ-Modulator benotzt eng kompakt Struktur mat dräi Äermer, wéi an der Figur 1 (a) gewisen. De Modul ass aus dräi GeSi EAM an dräi thermooptesche Phasenverschiebungsleitungen zesummegesat, wat eng symmetresch Konfiguratioun unhëlt. D'Inputliicht gëtt iwwer e Gitterkoppler (GC) an de Chip gekoppelt an iwwer en 1×3 Multimode-Interferometer (MMI) gläichméisseg an dräi Weeër opgedeelt. Nodeems et duerch de Modulator an de Phasenverschiebungsleiter passéiert ass, gëtt d'Liicht vun engem aneren 1×3 MMI rekombinéiert an dann un eng Singlemode-Faser (SSMF) gekoppelt.
Figur 1: (a) Mikroskopescht Bild vum IQ-Modulator; (b) – (d) EO S21, Extinktiounsverhältnisspektrum an Transmittanz vun engem eenzege GeSi EAM; (e) Schematescht Diagramm vum IQ-Modulator an der entspriechender optescher Phas vum Phasenverschiebungsgerät; (f) Representatioun vun der Trägerënnerdréckung op der komplexer Ebene. Wéi an der Figur 1 (b) gewisen, huet de GeSi EAM eng breet elektrooptesch Bandbreet. Figur 1 (b) huet de S21-Parameter vun enger eenzeger GeSi EAM Teststruktur mat engem 67 GHz opteschen Komponentenanalysator (LCA) gemooss. D'Figuren 1 (c) an 1 (d) weisen respektiv d'statesch Extinktiounsverhältnisspektre (ER) bei verschiddene Gläichspannungen an d'Transmissioun bei enger Wellelängt vun 1555 Nanometer.
Wéi an der Figur 1 (e) gewisen, ass d'Haaptmerkmal vun dësem Design d'Fäegkeet, optesch Träger ze ënnerdrécken, andeems de integréierte Phasenverschiebungsgerät am mëttleren Aarm ugepasst gëtt. D'Phasendifferenz tëscht dem ieweschten an ënneschten Aarm ass π/2, wat fir komplex Ofstëmmung benotzt gëtt, während d'Phasendifferenz tëscht dem mëttleren Aarm -3 π/4 ass. Dës Konfiguratioun erlaabt destruktiv Interferenzen um Träger, wéi an der komplexer Ebene vun der Figur 1 (f) gewisen.
Experimentell Opstellung a Resultater
Den experimentellen Opbau mat héijer Geschwindegkeet gëtt an der Figur 2 (a) gewisen. En arbiträre Wellenformgenerator (Keysight M8194A) gëtt als Signalquell benotzt, an zwee 60 GHz Phasen-ugepasst HF-Verstärker (mat integréierten Bias-T-Stécker) ginn als Modulatorentreiber benotzt. D'Bias-Spannung vum GeSi EAM ass -2,5 V, an e Phasen-ugepasst HF-Kabel gëtt benotzt fir d'elektresch Phasen-Mismatch tëscht den I- an Q-Kanäl ze minimiséieren.
Figur 2: (a) Héichgeschwindegkeets-Experimentalopstellung, (b) Trägerënnerdréckung bei 70 Gbaud, (c) Feelerquote an Datenrate, (d) Konstellatioun bei 70 Gbaud. Benotzt e kommerziellen externen Kavitéitslaser (ECL) mat enger Linnbreet vun 100 kHz, enger Wellelängt vun 1555 nm an enger Leeschtung vun 12 dBm als opteschen Träger. No der Modulatioun gëtt den optesche Signal mat engem verstärkt.Erbium-dotierte Faserverstärker(EDFA) fir On-Chip-Kopplungsverloschter a Modulator-Insertiounsverloschter ze kompenséieren.
Um Empfangsende iwwerwaacht en opteschen Spektrumanalysator (OSA) de Signalspektrum an d'Carrier-Ënnerdréckung, wéi an der Figur 2 (b) fir e 70 Gbaud Signal gewisen. Benotzt en duebelpolarisatiounskohärenten Empfänger fir Signaler ze kréien, deen aus engem 90-Grad-optesche Mixer a véier ... besteet.40 GHz balancéiert Photodioden, an ass mat engem 33 GHz, 80 GSa/s Echtzäit-Oszilloskop (RTO) (Keysight DSOZ634A) verbonnen. Déi zweet ECL-Quell mat enger Linnbreet vun 100 kHz gëtt als Lokaloszillator (LO) benotzt. Well den Transmitter ënner eenzelne Polarisatiounsbedéngungen funktionéiert, ginn nëmmen zwee elektronesch Kanäl fir d'Analog-Digital-Konversioun (ADC) benotzt. D'Donnéeë ginn op RTO opgeholl a mat engem Offline-Digitalsignalprozessor (DSP) veraarbecht.
Wéi an der Figur 2 (c) gewisen, gouf den IQ-Modulator mat dem QPSK-Modulatiounsformat vu 40 Gbaud bis 75 Gbaud getest. D'Resultater weisen datt ënner 7% Hard Decision Forward Error Correction (HD-FEC) d'Geschwindegkeet 140 Gb/s erreeche kann; ënner 20% Soft Decision Forward Error Correction (SD-FEC) kann d'Geschwindegkeet 150 Gb/s erreeche. Den Konstellatiounsdiagramm bei 70 Gbaud gëtt an der Figur 2 (d) gewisen. D'Resultat ass limitéiert duerch d'Oszilloskopbandbreet vun 33 GHz, wat enger Signalbandbreet vun ongeféier 66 Gbaud entsprécht.
Wéi an der Figur 2 (b) gewisen, kann déi dräiarmeg Struktur optesch Träger mat enger Ofblankungsquote vu méi wéi 30 dB effektiv ënnerdrécken. Dës Struktur erfuerdert keng komplett Ënnerdréckung vum Träger a kann och a Receiver benotzt ginn, déi Trägertéin brauchen fir Signaler ze recuperéieren, wéi zum Beispill Kramer Kronig (KK) Receiver. Den Träger kann iwwer e Phasenwiesseler vum zentralen Aarm ugepasst ginn, fir dat gewënschte Verhältnis tëscht Träger a Säiteband (CSR) z'erreechen.
Virdeeler an Uwendungen
Am Verglach mat traditionelle Mach-Zehnder-Modulatoren (MZM-Modulatoren) an aner optoelektronesch IQ-Modulatoren op Siliziumbasis, huet de proposéierte Silizium-IQ-Modulator verschidde Virdeeler. Éischtens ass e kompakt a Gréisst, méi wéi 10 Mol méi kleng wéi IQ-Modulatoren op Basis vunMach-Zehnder-Modulatoren(ausser Bonding Pads), wouduerch d'Integratiounsdicht erhéicht gëtt an d'Chipfläch reduzéiert gëtt. Zweetens erfuerdert den Design vun de gestapelte Elektroden net d'Benotzung vun Terminalwidderstänn, wouduerch d'Kapazitéit an d'Energie pro Bit vum Apparat reduzéiert ginn. Drëttens maximéiert d'Kapazitéit vun der Trägerträgerënnerdréckung d'Reduktioun vun der Transmissiounsleistung, wat d'Energieeffizienz weider verbessert.
Zousätzlech ass déi optesch Bandbreet vum GeSi EAM ganz breet (iwwer 30 Nanometer), soudatt méikanaleg Feedback-Kontrollkreesser a Prozessoren net méi gebraucht ginn, fir d'Resonanz vu Mikrowellenmodulatoren (MRMs) ze stabiliséieren an ze synchroniséieren, wouduerch den Design vereinfacht gëtt.
Dëse kompakten an effizienten IQ-Modulator ass héich gëeegent fir Transceiver vun der nächster Generatioun mat héijer Kanalzuel a kleng kohärent Transceiver an Datenzentren, wouduerch eng méi héich Kapazitéit an eng méi energieeffizient optesch Kommunikatioun méiglech ass.
De Silizium IQ Modulator mat ënnerdrécktem Trägerwäert weist exzellent Leeschtung op, mat enger Dateniwwerdroungsquote vu bis zu 150 Gb/s ënner 20% SD-FEC Konditiounen. Seng kompakt 3-Aarm Struktur baséiert op GeSi EAM huet bedeitend Virdeeler a punkto Foussofdrock, Energieeffizienz a Einfachheet vum Design. Dëse Modulator huet d'Fäegkeet, den opteschen Trägerwäert z'ënnerdrécken oder unzepassen a kann mat kohärenten Detektiouns- a Kramer Kronig (KK) Detektiounsschemae fir kompakt kohärent Multiline-Transceiver integréiert ginn. Déi bewisen Leeschtungen dreiwen d'Realisatioun vun héichintegréierten an effizienten opteschen Transceiver fir der wuessender Nofro no Datenkommunikatioun mat héijer Kapazitéit an Datenzentren an anere Beräicher gerecht ze ginn.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 21. Januar 2025