Til kohærent kommunikation med høj hastighed, kompakt siliciumbaseret optoelektronisk IQ-modulator

Kompakt siliciumbaseret optoelektronikIQ-modulatortil kohærent kommunikation med høj hastighed
Den stigende efterspørgsel efter højere dataoverførselshastigheder og mere energieffektive transceivere i datacentre har drevet udviklingen af ​​kompakte højtydende enheder.optiske modulatorerSiliciumbaseret optoelektronisk teknologi (SiPh) er blevet en lovende platform til at integrere forskellige fotoniske komponenter på en enkelt chip, hvilket muliggør kompakte og omkostningseffektive løsninger. Denne artikel vil undersøge en ny bærerundertrykt silicium IQ-modulator baseret på GeSi EAM'er, som kan operere med en frekvens på op til 75 Gbaud.
Enhedsdesign og egenskaber
Den foreslåede IQ-modulator anvender en kompakt trearmsstruktur, som vist i figur 1 (a). Den er sammensat af tre GeSi EAM og tre termooptiske faseskiftere, hvilket har en symmetrisk konfiguration. Inputlyset kobles ind i chippen via en gitterkobler (GC) og fordeles jævnt i tre baner gennem et 1×3 multimode interferometer (MMI). Efter at have passeret gennem modulatoren og faseskifteren, rekombineres lyset af en anden 1×3 MMI og kobles derefter til en single-mode fiber (SSMF).

Figur 1: (a) Mikroskopisk billede af IQ-modulator; (b) – (d) EO S21, ekstinktionsforholdsspektrum og transmittans for en enkelt GeSi EAM; (e) Skematisk diagram af IQ-modulator og tilsvarende optisk fase af faseskifter; (f) Repræsentation af bærerundertrykkelse på det komplekse plan. Som vist i figur 1 (b) har GeSi EAM en bred elektrooptisk båndbredde. Figur 1 (b) målte S21-parameteren for en enkelt GeSi EAM-teststruktur ved hjælp af en 67 GHz optisk komponentanalysator (LCA). Figur 1 (c) og 1 (d) viser henholdsvis de statiske ekstinktionsforholdsspektre (ER) ved forskellige DC-spændinger og transmissionen ved en bølgelængde på 1555 nanometer.
Som vist i figur 1 (e) er hovedtrækket ved dette design evnen til at undertrykke optiske bærebølger ved at justere den integrerede faseskifter i midterarmen. Faseforskellen mellem den øvre og nedre arm er π/2, som bruges til kompleks tuning, mens faseforskellen mellem midterarmen er -3 π/4. Denne konfiguration tillader destruktiv interferens med bærebølgen, som vist i det komplekse plan i figur 1 (f).
Eksperimentel opsætning og resultater
Højhastigheds-eksperimentopsætningen er vist i figur 2 (a). En vilkårlig bølgeformgenerator (Keysight M8194A) bruges som signalkilde, og to 60 GHz fasetilpassede RF-forstærkere (med integrerede bias-T-stykker) bruges som modulatordrivere. Biasspændingen for GeSi EAM er -2,5 V, og et fasetilpasset RF-kabel bruges til at minimere elektrisk faseafvigelse mellem I- og Q-kanalerne.
Figur 2: (a) Eksperimentel opsætning med høj hastighed, (b) Bærerundertrykkelse ved 70 Gbaud, (c) Fejlrate og datahastighed, (d) Konstellation ved 70 Gbaud. Brug en kommerciel ekstern kavitetslaser (ECL) med en linjebredde på 100 kHz, bølgelængde på 1555 nm og effekt på 12 dBm som optisk bærer. Efter modulation forstærkes det optiske signal ved hjælp af enerbium-doteret fiberforstærker(EDFA) for at kompensere for koblingstab på chippen og modulatorindsættelsestab.
I modtagerenden overvåger en optisk spektrumanalysator (OSA) signalspektret og bærebølgeundertrykkelsen, som vist i figur 2 (b) for et 70 Gbaud-signal. Brug en kohærent modtager med dobbelt polarisering til at modtage signaler, som består af en 90-graders optisk mixer og fire40 GHz balancerede fotodioder, og er forbundet til et 33 GHz, 80 GSa/s realtidsoscilloskop (RTO) (Keysight DSOZ634A). Den anden ECL-kilde med en linjebredde på 100 kHz bruges som en lokal oscillator (LO). Da senderen opererer under enkeltpolarisationsforhold, bruges kun to elektroniske kanaler til analog-til-digital konvertering (ADC). Dataene optages på RTO og behandles ved hjælp af en offline digital signalprocessor (DSP).
Som vist i figur 2 (c) blev IQ-modulatoren testet ved hjælp af QPSK-modulationsformatet fra 40 Gbaud til 75 Gbaud. Resultaterne indikerer, at hastigheden under 7% hard decision forward error correction (HD-FEC) kan nå 140 Gb/s. Under 20% soft decision forward error correction (SD-FEC) kan hastigheden nå 150 Gb/s. Konstellationsdiagrammet ved 70 Gbaud er vist i figur 2 (d). Resultatet er begrænset af oscilloskopets båndbredde på 33 GHz, hvilket svarer til en signalbåndbredde på cirka 66 Gbaud.

Som vist i figur 2 (b), kan trearmsstrukturen effektivt undertrykke optiske bærebølger med en blankningshastighed på over 30 dB. Denne struktur kræver ikke fuldstændig undertrykkelse af bærebølgen og kan også bruges i modtagere, der kræver bærebølgetoner for at gendanne signaler, såsom Kramer Kronig (KK) modtagere. Bærebølgen kan justeres via en central armfaseskifter for at opnå det ønskede bærebølge-til-sidebåndsforhold (CSR).
Fordele og anvendelser
Sammenlignet med traditionelle Mach-Zehnder-modulatorer (MZM-modulatorer) og andre siliciumbaserede optoelektroniske IQ-modulatorer, har den foreslåede silicium-IQ-modulator flere fordele. For det første er den kompakt i størrelse, mere end 10 gange mindre end IQ-modulatorer baseret påMach-Zehnder-modulatorer(eksklusive bonding pads), hvilket øger integrationstætheden og reducerer chiparealet. For det andet kræver det stablede elektrodedesign ikke brug af terminalmodstande, hvilket reducerer enhedens kapacitans og energi pr. bit. For det tredje maksimerer bærerundertrykkelsesevnen reduktionen af ​​​​transmissionseffekt, hvilket yderligere forbedrer energieffektiviteten.
Derudover er den optiske båndbredde for GeSi EAM meget bred (over 30 nanometer), hvilket eliminerer behovet for flerkanals feedback-kontrolkredsløb og processorer til at stabilisere og synkronisere resonansen af ​​mikrobølgemodulatorer (MRM'er), hvorved designet forenkles.
Denne kompakte og effektive IQ-modulator er yderst velegnet til næste generations transceivere med et stort kanalantal og små kohærente transceivere i datacentre, hvilket muliggør højere kapacitet og mere energieffektiv optisk kommunikation.
Den bærerundertrykte silicium IQ-modulator udviser fremragende ydeevne med en datatransmissionshastighed på op til 150 Gb/s under 20% SD-FEC-forhold. Dens kompakte 3-armsstruktur baseret på GeSi EAM har betydelige fordele med hensyn til fodaftryk, energieffektivitet og designenkelhed. Denne modulator har evnen til at undertrykke eller justere den optiske bærer og kan integreres med kohærent detektion og Kramer Kronig (KK) detektionsordninger til kompakte kohærente transceivere med flere linjer. De demonstrerede resultater driver realiseringen af ​​stærkt integrerede og effektive optiske transceivere for at imødekomme den voksende efterspørgsel efter datakommunikation med høj kapacitet i datacentre og andre områder.