Optoelettronico a base di silicio compattoModulatore IQper comunicazione coerente ad alta velocità
La crescente domanda di tassi di trasmissione dei dati più elevati e ricetrasmettitori più efficienti dal punto di vista energetico nei data center ha guidato lo sviluppo di alte prestazioni compattemodulatori ottici. La tecnologia optoelettronica a base di silicio (SIPH) è diventata una piattaforma promettente per l'integrazione di vari componenti fotonici su un singolo chip, consentendo soluzioni compatte ed economiche. Questo articolo esplorerà un nuovo modulatore di QI di silicio soppresso di vettori basato su GESI EAMS, che può operare a una frequenza fino a 75 GBAUD.
Progettazione e caratteristiche del dispositivo
Il modulatore QI proposto adotta una struttura a tre braccia compatta, come mostrato nella Figura 1 (a). Composto da tre GESI EAM e tre cambi di fase termo ottica, adottando una configurazione simmetrica. La luce di ingresso è accoppiata nel chip attraverso un accoppiatore a griglia (GC) e divisa uniformemente in tre percorsi attraverso un interferometro multimodale 1 × 3 (MMI). Dopo aver attraversato il modulatore e il cambio di fase, la luce viene ricombinata da un altro MMI 1 × 3 e quindi accoppiata a una fibra a singola modalità (SSMF).
Figura 1: (a) immagine microscopica del modulatore QI; (b) - (d) EO S21, spettro del rapporto di estinzione e trasmittanza di un singolo GESI EAM; (e) diagramma schematico del modulatore QI e corrispondente fase ottica del cambio di fase; (f) Rappresentazione di soppressione del vettore sul piano complesso. Come mostrato nella Figura 1 (b), GESI EAM ha un'ampia larghezza di banda elettro-ottica. La Figura 1 (b) ha misurato il parametro S21 di una singola struttura di test GESI EAM utilizzando un analizzatore di componenti ottici a 67 GHz (LCA). Le figure 1 (c) e 1 (d) mostrano rispettivamente gli spettri del rapporto di estinzione (ER) statico a diverse tensioni DC e la trasmissione a una lunghezza d'onda di 1555 nanometri.
Come mostrato nella Figura 1 (e), la caratteristica principale di questo design è la capacità di sopprimere i portatori ottici regolando il cambio di fase integrato nel braccio medio. La differenza di fase tra il braccio superiore e inferiore è π/2, usata per la sintonia complessa, mentre la differenza di fase tra il braccio centrale è -3 π/4. Questa configurazione consente un'interferenza distruttiva al corriere, come mostrato nel piano complesso della Figura 1 (f).
Setup sperimentale e risultati
La configurazione sperimentale ad alta velocità è mostrata nella Figura 2 (a). Un generatore arbitrario a forma d'onda (Keysight M8194A) viene utilizzato come sorgente del segnale e due amplificatori RF abbinati a 60 GHz (con tee di bias integrati) vengono utilizzati come driver del modulatore. La tensione di bias di GESI EAM è -2,5 V e un cavo RF abbinato a fase viene utilizzata per ridurre al minimo la mancata corrispondenza di fase elettrica tra i canali I e Q.
Figura 2: (a) configurazione sperimentale ad alta velocità, (b) soppressione del vettore a 70 gbaud, (c) tasso di errore e velocità dei dati, (d) costellazione a 70 gbaud. Utilizzare un laser di cavità esterno commerciale (ECL) con una larghezza di linea di 100 kHz, lunghezza d'onda di 1555 nm e potenza di 12 dBm come vettore ottico. Dopo la modulazione, il segnale ottico viene amplificato usando unAmplificatore in fibra drogata con erbio(EDFA) per compensare le perdite di accoppiamento su chip e le perdite di inserimento del modulatore.
All'estremità ricevente, un analizzatore di spettro ottico (OSA) monitora lo spettro del segnale e la soppressione del vettore, come mostrato nella Figura 2 (b) per un segnale GBAUD a 70. Utilizzare un ricevitore coerente a doppia polarizzazione per ricevere segnali, che consiste in un mixer ottico a 90 gradi e quattro40 ghz fotodiodi bilanciati, ed è collegato a un oscilloscopio in tempo reale da 33 GHz, 80 GSA/S (RTO) (Keysight DSOZ634A). La seconda sorgente ECL con una larghezza di linea di 100 kHz viene utilizzata come oscillatore locale (LO). A causa del trasmettitore che opera in condizioni di polarizzazione singole, vengono utilizzati solo due canali elettronici per la conversione da analogico a digitale (ADC). I dati vengono registrati su RTO ed elaborati utilizzando un processore di segnale digitale offline (DSP).
Come mostrato nella Figura 2 (c), il modulatore QI è stato testato utilizzando il formato di modulazione QPSK da 40 GBAUD a 75 GBAUD. I risultati indicano che sotto le condizioni di correzione dell'errore di prua (HD-FEC) di decisione dura del 7%, il tasso può raggiungere 140 GB/s; In condizioni di decisione morbida del 20% Correzione degli errori in avanti (SD-FEC), la velocità può raggiungere 150 GB/s. Il diagramma di costellazione a 70 gbaud è mostrato nella Figura 2 (d). Il risultato è limitato dalla larghezza di banda dell'oscilloscopio di 33 GHz, che equivale a una larghezza di banda del segnale di circa 66 GBAUD.
Come mostrato nella Figura 2 (b), la struttura a tre braccia può sopprimere efficacemente i portatori ottici con una velocità di blanking superiore a 30 dB. Questa struttura non richiede una soppressione completa del vettore e può anche essere utilizzata nei ricevitori che richiedono toni del vettore per recuperare segnali, come i ricevitori di Kramer Kronig (KK). Il vettore può essere regolato attraverso un cambio di fase del braccio centrale per ottenere il rapporto porta -banda laterale desiderato (CSR).
Vantaggi e applicazioni
Rispetto ai tradizionali modulatori Mach Zehnder (Modulatori MZM) e altri modulatori di QI optoelettronici a base di silicio, il modulatore IQ di silicio proposto ha più vantaggi. In primo luogo, è di dimensioni compatte, più di 10 volte più piccola dei modulatori QI in base aModulatori di mach zehnder(esclusi i cuscinetti di legame), aumentando così la densità di integrazione e riducendo l'area del chip. In secondo luogo, il design dell'elettrodo impilato non richiede l'uso di resistori terminali, riducendo così la capacità del dispositivo e l'energia per bit. In terzo luogo, la capacità di soppressione del vettore massimizza la riduzione della potenza di trasmissione, migliorando ulteriormente l'efficienza energetica.
Inoltre, la larghezza di banda ottica di GESI EAM è molto ampia (oltre 30 nanometri), eliminando la necessità di circuiti e processori di controllo del feedback multicanale per stabilizzare e sincronizzare la risonanza dei modulatori a microonde (MRMS), semplificando così il design.
Questo modulatore QI compatto ed efficiente è altamente adatto per la prossima generazione, un elevato conteggio dei canali e piccoli ricetrasmettitori coerenti nei data center, consentendo una maggiore capacità e una comunicazione ottica più efficiente dal punto di vista energetico.
Il modulatore IQ Silicon Silicon soppresso del vettore presenta prestazioni eccellenti, con una velocità di trasmissione di dati fino a 150 GB/s in condizioni di SD-FEC del 20%. La sua struttura compatta a 3 bracci basata su GESI EAM presenta vantaggi significativi in termini di impronta, efficienza energetica e semplicità di progettazione. Questo modulatore ha la capacità di sopprimere o regolare il vettore ottico e può essere integrato con schemi di rilevamento coerente e Kramer Kronig (KK) per ricetrasmettitori coerenti con più linee compatte. I risultati dimostrati guidano la realizzazione di ricetrasmettitori ottici altamente integrati ed efficienti per soddisfare la crescente domanda di comunicazione di dati ad alta capacità nei data center e in altri campi.
Tempo post: gennaio-21-2025