Kompakti piipohjainen optoelektroniikkaIQ-modulaattorinopeaa yhtenäistä viestintää varten
Suurempien tiedonsiirtonopeuksien ja energiatehokkaampien lähetin-vastaanottimien kasvava kysyntä datakeskuksissa on johtanut kompaktien ja suorituskykyisten laitteiden kehitykseen.optiset modulaattorit. Piipohjaisesta optoelektronisesta teknologiasta (SiPh) on tullut lupaava alusta erilaisten fotonikomponenttien integroimiseksi yhdelle sirulle, mikä mahdollistaa kompakteja ja kustannustehokkaita ratkaisuja. Tässä artikkelissa tutkitaan uutta GeSi EAM:iin perustuvaa kantoaallon vaimennuksen pii-IQ-modulaattoria, joka voi toimia jopa 75 Gbaudin taajuudella.
Laitteen suunnittelu ja ominaisuudet
Ehdotettu IQ-modulaattori käyttää kompaktia kolmivartista rakennetta, kuten kuvassa 1 (a) esitetään. Koostuu kolmesta GeSi EAM:sta ja kolmesta lämpöoptisesta vaiheensiirtimestä, jotka ovat symmetrisiä. Tulovalo kytketään siruun hilakytkimen (GC) kautta ja jaetaan tasaisesti kolmeen polkuun 1 × 3 multimode interferometrin (MMI) kautta. Modulaattorin ja vaiheensiirtimen läpi kulkemisen jälkeen valo yhdistetään uudelleen toisella 1 × 3 MMI:llä ja kytketään sitten yksimuotokuituun (SSMF).
Kuva 1: (a) Mikroskooppinen kuva IQ-modulaattorista; (b) – (d) EO S21, ekstinktiosuhdespektri ja yhden GeSi EAM:n läpäisykyky; (e) IQ-modulaattorin ja vastaavan vaiheensiirtimen optisen vaiheen kaavio; (f) Kantoaallon vaimennusesitys kompleksitasolla. Kuten kuvasta 1 (b), GeSi EAM:lla on laaja sähköoptinen kaistanleveys. Kuvassa 1 (b) mitattiin yhden GeSi EAM -testirakenteen S21-parametri käyttämällä 67 GHz:n optista komponenttianalysaattoria (LCA). Kuvat 1 (c) ja 1 (d) kuvaavat staattisen ekstinktiosuhteen (ER) spektrejä eri tasajännitteillä ja lähetystä 1555 nanometrin aallonpituudella.
Kuten kuvasta 1 (e) näkyy, tämän rakenteen pääominaisuus on kyky vaimentaa optisia kantoaaltoja säätämällä keskivarteen integroitua vaiheensiirrintä. Ylä- ja alavarren välinen vaihe-ero on π/2, jota käytetään kompleksiseen viritykseen, kun taas keskivarren välinen vaihe-ero on -3 π/4. Tämä konfiguraatio mahdollistaa tuhoavan häiriön kantoaaltoon, kuten on esitetty kuvion 1 (f) kompleksitasossa.
Kokeellinen kokoonpano ja tulokset
Suurinopeuksinen kokeellinen kokoonpano on esitetty kuvassa 2 (a). Satunnaista aaltomuotogeneraattoria (Keysight M8194A) käytetään signaalilähteenä, ja kahta 60 GHz:n vaihesovitettua RF-vahvistinta (integroiduilla bias-teesillä) käytetään modulaattorin ohjaimina. GeSi EAM:n bias-jännite on -2,5 V, ja vaihesovitettua RF-kaapelia käytetään minimoimaan sähköinen vaiheero I- ja Q-kanavien välillä.
Kuva 2: (a) Nopea kokeellinen asetus, (b) Kantoaallon vaimennus 70 Gbaud:lla, (c) Virhenopeus ja tiedonsiirtonopeus, (d) Konstellaatio 70 Gbaud:lla. Käytä optisena kantoaaltona kaupallista ulkoista kaviteettilaseria (ECL), jonka viivanleveys on 100 kHz, aallonpituus 1555 nm ja teho 12 dBm. Moduloinnin jälkeen optista signaalia vahvistetaan käyttämällä anerbium-seostettu kuituvahvistin(EDFA) kompensoimaan sirun kytkentähäviöitä ja modulaattorin kytkentähäviöitä.
Vastaanottopäässä optinen spektrianalysaattori (OSA) tarkkailee signaalin spektriä ja kantoaallon vaimennusta, kuten kuvassa 2 (b) esitetään 70 Gbaud:n signaalille. Käytä signaalien vastaanottamiseen kaksoispolarisaatiota koherenttia vastaanotinta, joka koostuu 90 asteen optisesta mikseristä ja neljästä40 GHz balansoidut valodiodit, ja se on kytketty 33 GHz, 80 GSa/s reaaliaikaiseen oskilloskooppiin (RTO) (Keysight DSOZ634A). Toista ECL-lähdettä, jonka linjanleveys on 100 kHz, käytetään paikallisoskillaattorina (LO). Koska lähetin toimii yksipolarisaatioolosuhteissa, vain kahta elektronista kanavaa käytetään analogia-digitaalimuunnokseen (ADC). Tiedot tallennetaan RTO:lle ja käsitellään offline-digitaalisen signaaliprosessorin (DSP) avulla.
Kuten kuvasta 2 (c) esitetään, IQ-modulaattori testattiin käyttämällä QPSK-modulaatiomuotoa 40 Gbaud - 75 Gbaud. Tulokset osoittavat, että 7 % kovan päätöksen eteenpäin tapahtuvan virheenkorjauksen (HD-FEC) olosuhteissa nopeus voi saavuttaa 140 Gb/s; 20 % pehmeän päätöksen eteenpäin virheenkorjauksen (SD-FEC) ehdolla nopeus voi olla 150 Gb/s. Konstellaatiokaavio 70 Gbaud:lla on esitetty kuvassa 2 (d). Tulosta rajoittaa oskilloskoopin 33 GHz:n kaistanleveys, joka vastaa noin 66 Gbaudin signaalin kaistanleveyttä.
Kuten kuvassa 2 (b) esitetään, kolmivartinen rakenne voi tehokkaasti vaimentaa optisia kantoaaltoja, joiden sammutustaajuus ylittää 30 dB. Tämä rakenne ei vaadi kantoaallon täydellistä vaimennusta, ja sitä voidaan käyttää myös vastaanottimissa, jotka vaativat kantoaaltoääniä signaalien palauttamiseksi, kuten Kramer Kronig (KK) -vastaanottimissa. Kantoaaltoa voidaan säätää keskivarren vaiheensiirtimellä halutun kantoaallon ja sivukaistan suhteen (CSR) saavuttamiseksi.
Edut ja sovellukset
Verrattuna perinteisiin Mach Zehnder -modulaattoreihin (MZM-modulaattorit) ja muut piipohjaiset optoelektroniset IQ-modulaattorit, ehdotetulla pii-IQ-modulaattorilla on useita etuja. Ensinnäkin se on kooltaan kompakti, yli 10 kertaa pienempi kuin IQ-modulaattoritMach Zehnder -modulaattorit(lukuun ottamatta liimaustyynyjä), mikä lisää integraatiotiheyttä ja pienentää lastualuetta. Toiseksi pinottu elektrodirakenne ei vaadi päätevastusten käyttöä, mikä vähentää laitteen kapasitanssia ja energiaa bittiä kohden. Kolmanneksi kantoaallon vaimennuskyky maksimoi lähetystehon pienenemisen ja parantaa energiatehokkuutta entisestään.
Lisäksi GeSi EAM:n optinen kaistanleveys on erittäin laaja (yli 30 nanometriä), mikä eliminoi monikanavaisten takaisinkytkentäohjauspiirien ja prosessorien tarpeen mikroaaltomodulaattoreiden (MRM) resonanssin stabiloimiseksi ja synkronoimiseksi, mikä yksinkertaistaa suunnittelua.
Tämä kompakti ja tehokas IQ-modulaattori sopii erittäin hyvin seuraavan sukupolven, suuren kanavamäärän ja pieniin koherentteihin lähetin-vastaanottimiin datakeskuksissa, mikä mahdollistaa suuremman kapasiteetin ja energiatehokkaamman optisen viestinnän.
Kantoaallon vaimentamalla pii-IQ-modulaattorilla on erinomainen suorituskyky, ja tiedonsiirtonopeus on jopa 150 Gb/s 20 % SD-FEC-olosuhteissa. Sen kompaktilla 3-vartisella GeSi EAM:iin perustuvalla rakenteella on merkittäviä etuja jalanjäljen, energiatehokkuuden ja suunnittelun yksinkertaisuuden suhteen. Tällä modulaattorilla on kyky vaimentaa tai säätää optista kantoaaltoa, ja se voidaan integroida koherentin ilmaisun ja Kramer Kronig (KK) -tunnistusmenetelmien kanssa monilinjaisille kompakteille koherenteille lähetin-vastaanottimille. Osoitetut saavutukset ohjaavat erittäin integroitujen ja tehokkaiden optisten lähetin-vastaanottimien toteutusta vastaamaan kasvavaan suuren kapasiteetin tietoliikenteen kysyntään datakeskuksissa ja muilla aloilla.
Postitusaika: 21.1.2025