Kompakti piipohjainen optoelektroniikkaIQ-modulaattorinopeaa koherenttia viestintää varten
Kasvava kysyntä suuremmille tiedonsiirtonopeuksille ja energiatehokkaammille lähetin-vastaanottimille datakeskuksissa on vauhdittanut kompaktien ja tehokkaiden laitteiden kehitystä.optiset modulaattoritPiipohjaisesta optoelektronisesta teknologiasta (SiPh) on tullut lupaava alusta erilaisten fotonisten komponenttien integroimiseksi yhdelle sirulle, mikä mahdollistaa kompaktit ja kustannustehokkaat ratkaisut. Tässä artikkelissa tarkastellaan uudenlaista kantoaaltovaimennettua piipohjaista IQ-modulaattoria, joka perustuu GeSi EAM-moduuleihin ja voi toimia jopa 75 Gbaudin taajuudella.
Laitteen suunnittelu ja ominaisuudet
Ehdotettu IQ-modulaattori on rakenteeltaan kompakti ja kolmihaarainen, kuten kuvassa 1 (a) on esitetty. Se koostuu kolmesta GeSi EAM:stä ja kolmesta termooptisesta vaiheensiirtimestä, jotka ovat symmetrisen kokoonpanon mukaisia. Sisään tuleva valo kytketään sirulle hilakytkimen (GC) kautta ja jaetaan tasaisesti kolmeen reittiin 1×3-monimuotointerferometrin (MMI) kautta. Kun valo on kulkenut modulaattorin ja vaiheensiirtimen läpi, se yhdistetään uudelleen toisella 1×3 MMI:llä ja kytketään sitten yksimuotokuituun (SSMF).
Kuva 1: (a) IQ-modulaattorin mikroskooppikuva; (b)–(d) Yksittäisen GeSi EAM:n EO S21, ekstinktiosuhteen spektri ja läpäisykyky; (e) IQ-modulaattorin ja vastaavan vaiheensiirtimen optisen vaiheen kaaviokuva; (f) Kantoaaltojen vaimennuksen esitys kompleksitasossa. Kuten kuvassa 1 (b) on esitetty, GeSi EAM:lla on laaja sähköoptinen kaistanleveys. Kuvassa 1 (b) mitattiin yksittäisen GeSi EAM -testirakenteen S21-parametri käyttämällä 67 GHz:n optista komponenttianalysaattoria (LCA). Kuvat 1 (c) ja 1 (d) esittävät vastaavasti staattisen ekstinktiosuhteen (ER) spektrejä eri tasajännitteillä ja läpäisykykyä 1555 nanometrin aallonpituudella.
Kuten kuvassa 1 (e) on esitetty, tämän rakenteen tärkein ominaisuus on kyky vaimentaa optisia kantoaalloja säätämällä keskihaaran integroitua vaiheensiirrintä. Ylä- ja alahaaran välinen vaihe-ero on π/2, jota käytetään kompleksiseen viritykseen, kun taas keskihaaran välinen vaihe-ero on -3 π/4. Tämä kokoonpano mahdollistaa kantoaallolle haitallisen häiriön, kuten kuvan 1 (f) kompleksitasossa on esitetty.
Kokeellinen järjestely ja tulokset
Nopea kokeellinen järjestely on esitetty kuvassa 2 (a). Signaalilähteenä käytetään mielivaltaista aaltomuotogeneraattoria (Keysight M8194A) ja modulaattoriohjaimina kahta 60 GHz:n vaihesovitettua RF-vahvistinta (integroiduilla esijännite-T-liittimillä). GeSi EAM:n esijännite on -2,5 V, ja vaihesovitettua RF-kaapelia käytetään I- ja Q-kanavien välisen sähköisen vaihe-epäsuhdan minimoimiseksi.
Kuva 2: (a) Nopea koejärjestely, (b) Kantoaallon vaimennus 70 Gbaudilla, (c) Virhesuhde ja tiedonsiirtonopeus, (d) Konstellaation signaali 70 Gbaudilla. Optisena kantoaaltona käytetään kaupallista ulkoista ontelolaseria (ECL), jonka viivanleveys on 100 kHz, aallonpituus 1555 nm ja teho 12 dBm. Moduloinnin jälkeen optinen signaali vahvistetaan käyttämälläerbiumilla seostettu kuituvahvistin(EDFA) kompensoimaan sirun sisäisiä kytkentähäviöitä ja modulaattorin lisäyshäviöitä.
Vastaanottopäässä optinen spektrianalysaattori (OSA) valvoo signaalin spektriä ja kantoaallon vaimennusta, kuten kuvassa 2 (b) on esitetty 70 Gbaudin signaalille. Signaalien vastaanottamiseen käytetään kaksoispolarisaatioon perustuvaa koherenttia vastaanotinta, joka koostuu 90 asteen optisesta sekoittimesta ja neljästä40 GHz:n tasapainotetut fotodiodit, ja se on kytketty 33 GHz:n, 80 GSa/s:n reaaliaikaiseen oskilloskooppiin (RTO) (Keysight DSOZ634A). Toista ECL-lähdettä, jonka viivanleveys on 100 kHz, käytetään paikallisoskillaattorina (LO). Koska lähetin toimii yhden polarisaation olosuhteissa, analogia-digitaalimuunnokseen (ADC) käytetään vain kahta elektronista kanavaa. Tiedot tallennetaan RTO:lle ja käsitellään offline-digitaalisignaaliprosessorilla (DSP).
Kuten kuvassa 2 (c) on esitetty, IQ-modulaattoria testattiin QPSK-modulaatioformaatilla 40 Gbaudista 75 Gbaudiin. Tulokset osoittavat, että 7 %:n kovan virheenkorjauksen (HD-FEC) olosuhteissa nopeus voi nousta 140 Gb/s:iin; 20 %:n pehmeän virheenkorjauksen (SD-FEC) olosuhteissa nopeus voi nousta 150 Gb/s:iin. Konstellaatiokaavio 70 Gbaudilla on esitetty kuvassa 2 (d). Tulosta rajoittaa oskilloskoopin 33 GHz:n kaistanleveys, joka vastaa noin 66 Gbaudin signaalin kaistanleveyttä.
Kuten kuvassa 2 (b) on esitetty, kolmihaarainen rakenne voi tehokkaasti vaimentaa optisia kantoaaltoja, joiden sammutusnopeus ylittää 30 dB. Tämä rakenne ei vaadi kantoaallon täydellistä vaimennusta, ja sitä voidaan käyttää myös vastaanottimissa, jotka tarvitsevat kantoaallon ääniä signaalien palauttamiseen, kuten Kramer Kronig (KK) -vastaanottimissa. Kantoaaltoa voidaan säätää keskellä olevan vaiheensiirtimen avulla halutun kantoaallon ja sivukaistan suhteen (CSR) saavuttamiseksi.
Edut ja sovellukset
Verrattuna perinteisiin Mach-Zehnder-modulaattoreihin (MZM-modulaattorit) ja muut piipohjaiset optoelektroniset IQ-modulaattorit, ehdotetulla piipohjaisella IQ-modulaattorilla on useita etuja. Ensinnäkin se on kooltaan kompakti, yli 10 kertaa pienempi kuin IQ-modulaattorit, jotka perustuvatMach-Zehnder-modulaattorit(lukuun ottamatta liitospisteitä), mikä lisää integrointitiheyttä ja vähentää sirun pinta-alaa. Toiseksi, pinottu elektrodirakenne ei vaadi päätevastusten käyttöä, mikä vähentää laitteen kapasitanssia ja energiaa bittiä kohden. Kolmanneksi, kantoaallon vaimennuskyky maksimoi lähetystehon vähenemisen, mikä parantaa entisestään energiatehokkuutta.
Lisäksi GeSi EAM:n optinen kaistanleveys on erittäin leveä (yli 30 nanometriä), mikä eliminoi monikanavaisten takaisinkytkentäohjauspiirien ja -prosessorien tarpeen mikroaaltomodulaattoreiden (MRM) resonanssin vakauttamiseksi ja synkronoimiseksi, mikä yksinkertaistaa suunnittelua.
Tämä kompakti ja tehokas IQ-modulaattori sopii erittäin hyvin seuraavan sukupolven, suuren kanavamäärän ja pienikokoisiin koherentteihin lähetin-vastaanottimiin datakeskuksissa, mahdollistaen suuremman kapasiteetin ja energiatehokkaamman optisen tiedonsiirron.
Kantoaaltovaimennetulla piipohjaisella IQ-modulaattorilla on erinomainen suorituskyky, ja sen tiedonsiirtonopeus on jopa 150 Gb/s 20 %:n SD-FEC-olosuhteissa. Sen kompakti, GeSi EAM -pohjainen kolmihaarainen rakenne tarjoaa merkittäviä etuja koon, energiatehokkuuden ja yksinkertaisuuden suhteen. Tällä modulaattorilla on kyky vaimentaa tai säätää optista kantoaaltoa, ja se voidaan integroida koherentin ilmaisun ja Kramer Kronig (KK) -ilmaisujärjestelmien kanssa monilinjaisille kompakteille koherenteille lähetin-vastaanottimille. Esitetyt saavutukset edistävät erittäin integroitujen ja tehokkaiden optisten lähetin-vastaanottimien toteutusta, jotta voidaan vastata kasvavaan suuren kapasiteetin tiedonsiirron kysyntään datakeskuksissa ja muilla aloilla.
Julkaisun aika: 21. tammikuuta 2025