Optoelectrònica compacta basada en siliciModulador de coeficient intel·lectualper a una comunicació coherent d'alta velocitat
La creixent demanda de taxes de transmissió de dades més elevades i transceptors més eficients energèticament en centres de dades ha impulsat el desenvolupament de sistemes compactes d'alt rendiment.moduladors òpticsLa tecnologia optoelectrònica basada en silici (SiPh) s'ha convertit en una plataforma prometedora per integrar diversos components fotònics en un sol xip, permetent solucions compactes i rendibles. Aquest article explorarà un nou modulador IQ de silici amb supressió de portadora basat en EAM de GeSi, que pot funcionar a una freqüència de fins a 75 Gbaud.
Disseny i característiques del dispositiu
El modulador IQ proposat adopta una estructura compacta de tres braços, com es mostra a la Figura 1 (a). Està compost per tres EAM de GeSi i tres canviadors de fase termoòptics, adoptant una configuració simètrica. La llum d'entrada s'acobla al xip a través d'un acoblador de xarxa (GC) i es divideix uniformement en tres camins a través d'un interferòmetre multimode (MMI) 1×3. Després de passar pel modulador i el canviador de fase, la llum es recombina amb un altre MMI 1×3 i després s'acobla a una fibra monomode (SSMF).
Figura 1: (a) Imatge microscòpica del modulador IQ; (b) – (d) EO S21, espectre de relació d'extinció i transmitància d'un únic EAM de GeSi; (e) Diagrama esquemàtic del modulador IQ i la fase òptica corresponent del canviador de fase; (f) Representació de la supressió de portadora en el pla complex. Com es mostra a la Figura 1 (b), l'EAM de GeSi té un ample de banda electroòptic ampli. La Figura 1 (b) va mesurar el paràmetre S21 d'una única estructura de prova EAM de GeSi utilitzant un analitzador de components òptics (LCA) de 67 GHz. Les Figures 1 (c) i 1 (d) representen respectivament els espectres de relació d'extinció estàtica (ER) a diferents voltatges de CC i la transmissió a una longitud d'ona de 1555 nanòmetres.
Com es mostra a la Figura 1 (e), la característica principal d'aquest disseny és la capacitat de suprimir les portadores òptiques ajustant el canviador de fase integrat al braç central. La diferència de fase entre els braços superior i inferior és de π/2, que s'utilitza per a l'afinació complexa, mentre que la diferència de fase entre el braç central és de -3 π/4. Aquesta configuració permet la interferència destructiva a la portadora, com es mostra al pla complex de la Figura 1 (f).
Configuració experimental i resultats
La configuració experimental d'alta velocitat es mostra a la Figura 2 (a). S'utilitza un generador de formes d'ona arbitràries (Keysight M8194A) com a font de senyal, i dos amplificadors de RF adaptats en fase de 60 GHz (amb tes de polarització integrats) com a controladors de moduladors. La tensió de polarització del GeSi EAM és de -2,5 V, i s'utilitza un cable de RF adaptat en fase per minimitzar la desajust de fase elèctrica entre els canals I i Q.
Figura 2: (a) Configuració experimental d'alta velocitat, (b) Supressió de portadora a 70 Gbaud, (c) Taxa d'error i velocitat de dades, (d) Constel·lació a 70 Gbaud. Utilitzeu un làser de cavitat externa (ECL) comercial amb una amplada de línia de 100 kHz, una longitud d'ona de 1555 nm i una potència de 12 dBm com a portadora òptica. Després de la modulació, el senyal òptic s'amplifica mitjançant unamplificador de fibra dopada amb erbi(EDFA) per compensar les pèrdues d'acoblament en el xip i les pèrdues d'inserció del modulador.
A l'extrem receptor, un analitzador d'espectre òptic (OSA) controla l'espectre del senyal i la supressió de la portadora, tal com es mostra a la Figura 2 (b) per a un senyal de 70 Gbaud. Utilitzeu un receptor coherent de polarització dual per rebre senyals, que consisteix en un mesclador òptic de 90 graus i quatreFotodíodes balancejats de 40 GHz, i està connectat a un oscil·loscopi en temps real (RTO) de 33 GHz i 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). La segona font ECL amb una amplada de línia de 100 kHz s'utilitza com a oscil·lador local (LO). A causa que el transmissor funciona en condicions de polarització única, només s'utilitzen dos canals electrònics per a la conversió analògica-digital (ADC). Les dades es graven en RTO i es processen mitjançant un processador de senyal digital (DSP) fora de línia.
Com es mostra a la Figura 2 (c), el modulador IQ es va provar utilitzant el format de modulació QPSK de 40 Gbaud a 75 Gbaud. Els resultats indiquen que en condicions de correcció d'errors de decisió directa (HD-FEC) del 7%, la velocitat pot arribar als 140 Gb/s; en condicions de correcció d'errors de decisió directa (SD-FEC) del 20%, la velocitat pot arribar als 150 Gb/s. El diagrama de constel·lació a 70 Gbaud es mostra a la Figura 2 (d). El resultat està limitat per l'amplada de banda de l'oscil·loscopi de 33 GHz, que equival a una amplada de banda del senyal d'aproximadament 66 Gbaud.
Com es mostra a la Figura 2 (b), l'estructura de tres braços pot suprimir eficaçment les portadores òptiques amb una taxa de supressió superior a 30 dB. Aquesta estructura no requereix la supressió completa de la portadora i també es pot utilitzar en receptors que requereixen tons de portadora per recuperar senyals, com ara els receptors Kramer Kronig (KK). La portadora es pot ajustar mitjançant un canviador de fase de braç central per aconseguir la relació portadora-banda lateral (CSR) desitjada.
Avantatges i aplicacions
En comparació amb els moduladors Mach-Zehnder tradicionals (Moduladors MZM) i altres moduladors IQ optoelectrònics basats en silici, el modulador IQ de silici proposat té múltiples avantatges. En primer lloc, és de mida compacta, més de 10 vegades més petit que els moduladors IQ basats enModuladors Mach-Zehnder(excloent les pastilles d'unió), augmentant així la densitat d'integració i reduint l'àrea del xip. En segon lloc, el disseny d'elèctrodes apilats no requereix l'ús de resistències terminals, reduint així la capacitància del dispositiu i l'energia per bit. En tercer lloc, la capacitat de supressió de portadora maximitza la reducció de la potència de transmissió, millorant encara més l'eficiència energètica.
A més, l'amplada de banda òptica de GeSi EAM és molt àmplia (més de 30 nanòmetres), cosa que elimina la necessitat de circuits de control de retroalimentació multicanal i processadors per estabilitzar i sincronitzar la ressonància dels moduladors de microones (MRM), simplificant així el disseny.
Aquest modulador IQ compacte i eficient és molt adequat per a transceptors coherents petits i de nova generació amb un nombre de canals elevat en centres de dades, permetent una comunicació òptica més gran i més eficient energèticament.
El modulador IQ de silici amb supressió de portadora presenta un rendiment excel·lent, amb una velocitat de transmissió de dades de fins a 150 Gb/s en condicions de 20% SD-FEC. La seva estructura compacta de 3 braços basada en GeSi EAM té avantatges significatius pel que fa a la petjada, l'eficiència energètica i la simplicitat del disseny. Aquest modulador té la capacitat de suprimir o ajustar la portadora òptica i es pot integrar amb esquemes de detecció coherent i de detecció Kramer Kronig (KK) per a transceptors coherents compactes multilínia. Els èxits demostrats impulsen la realització de transceptors òptics altament integrats i eficients per satisfer la creixent demanda de comunicació de dades d'alta capacitat en centres de dades i altres camps.
Data de publicació: 21 de gener de 2025