Optoelettronico compatto a base di siliciomodulatore del QIper comunicazioni coerenti ad alta velocità
La crescente domanda di velocità di trasmissione dati più elevate e di transceiver più efficienti dal punto di vista energetico nei data center ha spinto lo sviluppo di dispositivi compatti ad alte prestazionimodulatori otticiLa tecnologia optoelettronica al 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 IQ al silicio con soppressione della portante basato su EAM GeSi, in grado di operare a frequenze fino a 75 Gbaud.
Progettazione e caratteristiche del dispositivo
Il modulatore IQ proposto adotta una struttura compatta a tre bracci, come mostrato in Figura 1 (a). È composto da tre EAM in GeSi e tre sfasatori termo-ottici, adottando una configurazione simmetrica. La luce in ingresso viene accoppiata al chip tramite un accoppiatore a reticolo (GC) e suddivisa equamente in tre percorsi attraverso un interferometro multimodale (MMI) 1x3. Dopo aver attraversato il modulatore e lo sfasatore, la luce viene ricombinata da un altro MMI 1x3 e quindi accoppiata a una fibra monomodale (SSMF).
Figura 1: (a) Immagine microscopica del modulatore IQ; (b) – (d) EO S21, spettro del rapporto di estinzione e trasmittanza di un singolo EAM in GeSi; (e) Diagramma schematico del modulatore IQ e corrispondente fase ottica dello sfasatore; (f) Rappresentazione della soppressione della portante sul piano complesso. Come mostrato in Figura 1 (b), l'EAM in GeSi ha un'ampia larghezza di banda elettro-ottica. La Figura 1 (b) ha misurato il parametro S21 di una singola struttura di test dell'EAM in GeSi utilizzando un analizzatore di componenti ottici (LCA) a 67 GHz. Le Figure 1 (c) e 1 (d) mostrano rispettivamente gli spettri del rapporto di estinzione statico (ER) a diverse tensioni CC e la trasmissione a una lunghezza d'onda di 1555 nanometri.
Come mostrato in Figura 1 (e), la caratteristica principale di questo progetto è la capacità di sopprimere le portanti ottiche regolando lo sfasatore integrato nel braccio intermedio. La differenza di fase tra i bracci superiore e inferiore è π/2, utilizzata per la sintonizzazione complessa, mentre la differenza di fase tra il braccio intermedio è -3 π/4. Questa configurazione consente un'interferenza distruttiva sulla portante, come mostrato nel piano complesso di Figura 1 (f).
Impostazione sperimentale e risultati
La configurazione sperimentale ad alta velocità è mostrata in Figura 2 (a). Un generatore di forme d'onda arbitrarie (Keysight M8194A) viene utilizzato come sorgente di segnale e due amplificatori RF a 60 GHz con fase adattata (con bias tee integrati) vengono utilizzati come driver del modulatore. La tensione di polarizzazione dell'EAM in GeSi è di -2,5 V e viene utilizzato un cavo RF con fase adattata per ridurre al minimo la discrepanza di fase elettrica tra i canali I e Q.
Figura 2: (a) Configurazione sperimentale ad alta velocità, (b) Soppressione della portante a 70 Gbaud, (c) Tasso di errore e velocità di trasmissione dati, (d) Costellazione a 70 Gbaud. Utilizzare un laser a cavità esterna (ECL) commerciale con una larghezza di linea di 100 kHz, lunghezza d'onda di 1555 nm e potenza di 12 dBm come portante ottica. Dopo la modulazione, il segnale ottico viene amplificato utilizzando unamplificatore in fibra drogata con erbio(EDFA) per compensare le perdite di accoppiamento on-chip e le perdite di inserzione del modulatore.
All'estremità ricevente, un analizzatore di spettro ottico (OSA) monitora lo spettro del segnale e la soppressione della portante, come mostrato in Figura 2 (b) per un segnale a 70 Gbaud. Per ricevere i segnali, si utilizza un ricevitore coerente a doppia polarizzazione, costituito da un mixer ottico a 90 gradi e quattroFotodiodi bilanciati da 40 GHzed è collegato a un oscilloscopio in tempo reale (RTO) da 33 GHz e 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). La seconda sorgente ECL con una larghezza di riga di 100 kHz viene utilizzata come oscillatore locale (LO). Dato che il trasmettitore opera in condizioni di polarizzazione singola, solo due canali elettronici vengono utilizzati per la conversione analogico-digitale (ADC). I dati vengono registrati sull'RTO ed elaborati tramite un processore di segnale digitale (DSP) offline.
Come mostrato in Figura 2 (c), il modulatore IQ è stato testato utilizzando il formato di modulazione QPSK da 40 Gbaud a 75 Gbaud. I risultati indicano che in condizioni di correzione dell'errore in avanti con decisione hard (HD-FEC) del 7%, la velocità può raggiungere i 140 Gb/s; in condizioni di correzione dell'errore in avanti con decisione soft (SD-FEC) del 20%, la velocità può raggiungere i 150 Gb/s. Il diagramma di costellazione a 70 Gbaud è mostrato in 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 in Figura 2 (b), la struttura a tre bracci può sopprimere efficacemente le portanti ottiche con un tasso di blanking superiore a 30 dB. Questa struttura non richiede la soppressione completa della portante e può essere utilizzata anche in ricevitori che richiedono toni portanti per recuperare i segnali, come i ricevitori Kramer Kronig (KK). La portante può essere regolata tramite uno sfasatore a braccio centrale per ottenere il rapporto portante/banda laterale (CSR) desiderato.
Vantaggi e applicazioni
Rispetto ai tradizionali modulatori Mach Zehnder (Modulatori MZM) e altri modulatori IQ optoelettronici a base di silicio, il modulatore IQ al silicio proposto presenta molteplici vantaggi. In primo luogo, è compatto, oltre 10 volte più piccolo dei modulatori IQ basati suModulatori Mach Zehnder(esclusi i pad di bonding), aumentando così la densità di integrazione e riducendo l'area del chip. In secondo luogo, il design a elettrodi impilati 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 della portante massimizza la riduzione della potenza di trasmissione, migliorando ulteriormente l'efficienza energetica.
Inoltre, la larghezza di banda ottica del GeSi EAM è molto ampia (oltre 30 nanometri), eliminando la necessità di circuiti di controllo del feedback multicanale e processori per stabilizzare e sincronizzare la risonanza dei modulatori a microonde (MRM), semplificando così la progettazione.
Questo modulatore IQ compatto ed efficiente è particolarmente adatto per i ricetrasmettitori coerenti di nuova generazione, ad alto numero di canali e di piccole dimensioni nei data center, consentendo una maggiore capacità e comunicazioni ottiche più efficienti dal punto di vista energetico.
Il modulatore IQ in silicio con soppressione della portante offre prestazioni eccellenti, con una velocità di trasmissione dati fino a 150 Gb/s in condizioni di SD-FEC del 20%. La sua struttura compatta a 3 bracci basata su GeSi EAM offre vantaggi significativi in termini di ingombro, efficienza energetica e semplicità di progettazione. Questo modulatore è in grado di sopprimere o regolare la portante ottica e può essere integrato con schemi di rilevamento coerente e Kramer Kronig (KK) per transceiver coerenti compatti multilinea. I risultati ottenuti stimolano la realizzazione di transceiver ottici altamente integrati ed efficienti per soddisfare la crescente domanda di comunicazioni dati ad alta capacità nei data center e in altri settori.
Data di pubblicazione: 21-gen-2025