optoelettronica compatta a base di silicioModulatore del QIper la comunicazione coerente ad alta velocità
La crescente domanda di velocità di trasmissione dati più elevate e di ricetrasmettitori più efficienti dal punto di vista energetico nei data center ha spinto lo sviluppo di dispositivi compatti ad alte prestazionimodulatori otticiLa tecnologia optoelettronica basata sul 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 in GeSi, in grado di operare a una frequenza 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). Composto da tre EAM in GeSi e tre sfasatori termo-ottici, adotta una configurazione simmetrica. La luce in ingresso viene accoppiata al chip tramite un accoppiatore a reticolo (GC) e suddivisa uniformemente in tre percorsi attraverso un interferometro multimodale 1×3 (MMI). Dopo aver attraversato il modulatore e lo sfasatore, la luce viene ricombinata da un altro MMI 1×3 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 GeSi EAM; (e) Schema del modulatore IQ e corrispondente fase ottica dello sfasatore; (f) Rappresentazione della soppressione della portante sul piano complesso. Come mostrato nella Figura 1 (b), il GeSi EAM ha un'ampia larghezza di banda elettro-ottica. La Figura 1 (b) mostra il parametro S21 misurato di una singola struttura di test GeSi EAM 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 nella Figura 1 (e), la caratteristica principale di questo progetto è la capacità di sopprimere i portanti ottici regolando lo sfasatore integrato nel braccio centrale. La differenza di fase tra il braccio superiore e quello inferiore è π/2, utilizzata per la sintonizzazione complessa, mentre la differenza di fase tra il braccio centrale è -3 π/4. Questa configurazione consente l'interferenza distruttiva sul portante, come mostrato nel piano complesso della Figura 1 (f).
Configurazione sperimentale e risultati
La configurazione sperimentale ad alta velocità è mostrata in Figura 2 (a). Come sorgente del segnale viene utilizzato un generatore di forme d'onda arbitrarie (Keysight M8194A), mentre come driver del modulatore vengono utilizzati due amplificatori RF a 60 GHz con fase adattata (con bias tee integrati). La tensione di polarizzazione del GeSi EAM è di -2,5 V e viene utilizzato un cavo RF con fase adattata per minimizzare il disallineamento 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 dati, (d) Costellazione a 70 Gbaud. Utilizzare un laser a cavità esterna (ECL) commerciale con una larghezza di riga 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 a 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 nella Figura 2 (b) per un segnale a 70 Gbaud. Utilizzare un ricevitore coerente a doppia polarizzazione per ricevere i segnali, che consiste in un miscelatore ottico a 90 gradi e quattrofotodiodi bilanciati da 40 GHze viene collegato a un oscilloscopio in tempo reale (RTO) da 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). La seconda sorgente ECL con una larghezza di riga di 100 kHz viene utilizzata come oscillatore locale (LO). Poiché il trasmettitore opera in condizioni di singola polarizzazione, vengono utilizzati solo due canali elettronici per la conversione analogico-digitale (ADC). I dati vengono registrati sull'RTO ed elaborati utilizzando un processore di segnale digitale (DSP) offline.
Come mostrato nella 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 degli errori in avanti a decisione rigida (HD-FEC) del 7%, la velocità può raggiungere i 140 Gb/s; in condizioni di correzione degli errori in avanti a decisione morbida (SD-FEC) del 20%, la velocità può raggiungere i 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 bracci può sopprimere efficacemente le portanti ottiche con un tasso di soppressione superiore a 30 dB. Questa struttura non richiede la soppressione completa della portante e può essere utilizzata anche in ricevitori che necessitano di toni portanti per recuperare i segnali, come i ricevitori Kramer Kronig (KK). La portante può essere regolata tramite uno sfasatore sul braccio centrale per ottenere il rapporto portante/banda laterale (CSR) desiderato.
Vantaggi e applicazioni
Rispetto ai modulatori Mach Zehnder tradizionali (Modulatori MZM) e altri modulatori IQ optoelettronici basati sul silicio, il modulatore IQ in silicio proposto ha molteplici vantaggi. In primo luogo, è compatto nelle dimensioni, più di 10 volte più piccolo dei modulatori IQ basati suModulatori Mach-Zehnder(esclusi i pad di collegamento), aumentando così la densità di integrazione e riducendo l'area del chip. In secondo luogo, il design a elettrodi sovrapposti non richiede l'uso di resistori terminali, riducendo in tal modo 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 a 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, con un elevato numero di canali e di dimensioni ridotte, destinati ai data center, consentendo una comunicazione ottica più efficiente dal punto di vista energetico e con una maggiore capacità.
Il modulatore IQ al silicio con soppressione della portante presenta prestazioni eccellenti, con una velocità di trasmissione dati fino a 150 Gb/s in condizioni SD-FEC al 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 di rilevamento Kramer-Kronig (KK) per ricetrasmettitori coerenti compatti multilinea. I risultati ottenuti aprono la strada alla realizzazione di ricetrasmettitori ottici altamente integrati ed efficienti per soddisfare la crescente domanda di comunicazione dati ad alta capacità nei data center e in altri settori.
Data di pubblicazione: 21 gennaio 2025