Optoelektronik berbasis silikon kompakModulator IQkanggo komunikasi sing koheren kanthi kecepatan dhuwur
Panjaluk sing saya tambah kanggo kecepatan transmisi data sing luwih dhuwur lan transceiver sing luwih efisien energi ing pusat data wis ndorong pangembangan piranti kompak kanthi kinerja dhuwur.modulator optikTeknologi optoelektronik berbasis silikon (SiPh) wis dadi platform sing njanjeni kanggo nggabungake macem-macem komponen fotonik menyang siji chip, sing ndadekake solusi sing kompak lan efektif biaya. Artikel iki bakal njelajah modulator IQ silikon sing dikurangi pembawa anyar adhedhasar GeSi EAM, sing bisa beroperasi ing frekuensi nganti 75 Gbaud.
Desain lan karakteristik piranti
Modulator IQ sing diusulake nggunakake struktur telung lengen sing kompak, kaya sing dituduhake ing Gambar 1 (a). Kawangun saka telung GeSi EAM lan telung thermo optical phase shifter, nggunakake konfigurasi simetris. Cahya input digandhengake menyang chip liwat grating coupler (GC) lan dipérang rata dadi telung jalur liwat interferometer multimode 1×3 (MMI). Sawise ngliwati modulator lan phase shifter, cahya digabungake maneh dening 1×3 MMI liyane banjur digandhengake menyang serat mode tunggal (SSMF).
Gambar 1: (a) Gambar mikroskopis modulator IQ; (b) – (d) EO S21, spektrum rasio kepunahan, lan transmitansi saka siji GeSi EAM; (e) Diagram skematis modulator IQ lan fase optik sing cocog saka pengubah fase; (f) Representasi penekanan pembawa ing bidang kompleks. Kaya sing dituduhake ing Gambar 1 (b), GeSi EAM duwe bandwidth elektro-optik sing amba. Gambar 1 (b) ngukur parameter S21 saka struktur uji GeSi EAM tunggal nggunakake penganalisis komponen optik (LCA) 67 GHz. Gambar 1 (c) lan 1 (d) masing-masing nggambarake spektrum rasio kepunahan statis (ER) ing voltase DC sing beda lan transmisi ing dawa gelombang 1555 nanometer.
Kaya sing dituduhake ing Gambar 1 (e), fitur utama saka desain iki yaiku kemampuan kanggo nyuda operator optik kanthi nyetel phase shifter terintegrasi ing lengen tengah. Bedane fase antarane lengen ndhuwur lan ngisor yaiku π/2, digunakake kanggo tuning kompleks, dene bedane fase antarane lengen tengah yaiku -3 π/4. Konfigurasi iki ngidini gangguan destruktif menyang operator, kaya sing dituduhake ing bidang kompleks Gambar 1 (f).
Persiapan lan asil eksperimen
Persiapan eksperimen kecepatan tinggi dituduhake ing Gambar 2 (a). Generator gelombang sembarang (Keysight M8194A) digunakake minangka sumber sinyal, lan rong penguat RF sing cocog fase 60 GHz (kanthi tee bias terintegrasi) digunakake minangka driver modulator. Tegangan bias GeSi EAM yaiku -2,5 V, lan kabel RF sing cocog fase digunakake kanggo nyuda ketidakcocokan fase listrik antarane saluran I lan Q.
Gambar 2: (a) Persiapan eksperimen kecepatan tinggi, (b) Penekanan operator ing 70 Gbaud, (c) Tingkat kesalahan lan tingkat data, (d) Konstelasi ing 70 Gbaud. Gunakake laser rongga eksternal komersial (ECL) kanthi linewidth 100 kHz, dawa gelombang 1555 nm, lan daya 12 dBm minangka operator optik. Sawise modulasi, sinyal optik dikuatake nggunakakepenguat serat sing didoping erbium(EDFA) kanggo ngimbangi kerugian kopling on-chip lan kerugian penyisipan modulator.
Ing sisih panrima, Optical Spectrum Analyzer (OSA) ngawasi spektrum sinyal lan penekanan operator, kaya sing dituduhake ing Gambar 2 (b) kanggo sinyal 70 Gbaud. Gunakake panrima koheren polarisasi ganda kanggo nampa sinyal, sing kasusun saka mixer optik 90 derajat lan papatFotodioda sing seimbang 40 GHz, lan disambungake menyang osiloskop wektu nyata (RTO) 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Sumber ECL kapindho kanthi jembar garis 100 kHz digunakake minangka osilator lokal (LO). Amarga pemancar beroperasi ing kahanan polarisasi tunggal, mung rong saluran elektronik sing digunakake kanggo konversi analog-menyang-digital (ADC). Data direkam ing RTO lan diproses nggunakake prosesor sinyal digital offline (DSP).
Kaya sing dituduhake ing Gambar 2 (c), modulator IQ diuji nggunakake format modulasi QPSK saka 40 Gbaud nganti 75 Gbaud. Asil kasebut nuduhake yen ing kahanan koreksi kesalahan maju keputusan keras (HD-FEC) 7%, kecepatane bisa tekan 140 Gb/s; Ing kahanan koreksi kesalahan maju keputusan lunak 20% (SD-FEC), kecepatane bisa tekan 150 Gb/s. Diagram konstelasi ing 70 Gbaud dituduhake ing Gambar 2 (d). Asil kasebut diwatesi dening bandwidth osiloskop 33 GHz, sing padha karo bandwidth sinyal kira-kira 66 Gbaud.
Kaya sing dituduhake ing Gambar 2 (b), struktur telung lengen bisa kanthi efektif nyuda operator optik kanthi tingkat blanking ngluwihi 30 dB. Struktur iki ora mbutuhake penekanan lengkap operator lan uga bisa digunakake ing panrima sing mbutuhake nada operator kanggo mbalekake sinyal, kayata panrima Kramer Kronig (KK). Operator bisa diatur liwat shifter fase lengen pusat kanggo entuk rasio operator menyang sideband (CSR) sing dikarepake.
Kauntungan lan Aplikasi
Dibandhingake karo modulator Mach Zehnder tradisional (Modulator MZM) lan modulator IQ optoelektronik berbasis silikon liyane, modulator IQ silikon sing diusulake nduweni pirang-pirang kaluwihan. Kapisan, ukurane kompak, luwih saka 10 kali luwih cilik tinimbang modulator IQ sing adhedhasarModulator Mach Zehnder(ora kalebu bantalan ikatan), saengga nambah kapadhetan integrasi lan nyuda area chip. Kapindho, desain elektroda sing ditumpuk ora mbutuhake panggunaan resistor terminal, saengga nyuda kapasitansi piranti lan energi saben bit. Katelu, kemampuan penekanan operator ngoptimalake pangurangan daya transmisi, luwih ningkatake efisiensi energi.
Kajaba iku, bandwidth optik GeSi EAM jembar banget (luwih saka 30 nanometer), ngilangi kebutuhan sirkuit kontrol umpan balik multi-kanal lan prosesor kanggo nyetabilake lan nyelarasake resonansi modulator gelombang mikro (MRM), saengga nyederhanakake desain.
Modulator IQ sing ringkes lan efisien iki cocog banget kanggo generasi sabanjure, jumlah saluran sing akeh, lan transceiver koheren cilik ing pusat data, sing ndadekake kapasitas sing luwih dhuwur lan komunikasi optik sing luwih hemat energi.
Modulator IQ silikon sing dikurangi pembawa iki nduweni kinerja sing apik banget, kanthi kecepatan transmisi data nganti 150 Gb/s ing kondisi SD-FEC 20%. Struktur 3-lengan sing kompak adhedhasar GeSi EAM nduweni kaluwihan sing signifikan babagan jejak, efisiensi energi, lan kesederhanaan desain. Modulator iki nduweni kemampuan kanggo nyuda utawa nyetel pembawa optik lan bisa diintegrasikan karo skema deteksi koheren lan deteksi Kramer Kronig (KK) kanggo transceiver koheren kompak multi-baris. Prestasi sing didemonstrasikake ndorong realisasi transceiver optik sing terintegrasi lan efisien banget kanggo nyukupi panjaluk sing saya tambah kanggo komunikasi data kapasitas dhuwur ing pusat data lan bidang liyane.
Wektu kiriman: 21 Januari 2025