Optoelectrónica compacta baseada en silicioModulador de coeficiente intelectualpara unha comunicación coherente de alta velocidade
A crecente demanda de maiores taxas de transmisión de datos e transceptores máis eficientes enerxeticamente nos centros de datos impulsou o desenvolvemento de equipos compactos de alto rendementomoduladores ópticosA tecnoloxía optoelectrónica baseada en silicio (SiPh) converteuse nunha plataforma prometedora para integrar varios compoñentes fotónicos nun único chip, o que permite solucións compactas e rendibles. Este artigo explorará un novo modulador de coeficiente intelectual de silicio con supresión de portadora baseado en EAM de GeSi, que pode funcionar a unha frecuencia de ata 75 Gbaudios.
Deseño e características do dispositivo
O modulador IQ proposto adopta unha estrutura compacta de tres brazos, como se mostra na Figura 1 (a). Está composto por tres EAM de GeSi e tres cambiadores de fase termoópticos, adoptando unha configuración simétrica. A luz de entrada acópase ao chip a través dun acoplador de reixa (GC) e divídese uniformemente en tres camiños a través dun interferómetro multimodo (MMI) de 1×3. Despois de pasar polo modulador e o cambiador de fase, a luz recomínase con outro MMI de 1×3 e logo acópase a unha fibra monomodo (SSMF).
Figura 1: (a) Imaxe microscópica do modulador IQ; (b) – (d) EO S21, espectro de relación de extinción e transmitancia dun único EAM de GeSi; (e) Diagrama esquemático do modulador IQ e a fase óptica correspondente do cambiador de fase; (f) Representación da supresión de portadora no plano complexo. Como se mostra na Figura 1 (b), o EAM de GeSi ten unha ampla largura de banda electroóptica. A Figura 1 (b) mediu o parámetro S21 dunha única estrutura de proba EAM de GeSi usando un analizador de compoñentes ópticos (LCA) de 67 GHz. As Figuras 1 (c) e 1 (d) representan respectivamente os espectros de relación de extinción estática (ER) a diferentes voltaxes de CC e a transmisión a unha lonxitude de onda de 1555 nanómetros.
Como se mostra na Figura 1 (e), a principal característica deste deseño é a capacidade de suprimir as portadoras ópticas axustando o cambiador de fase integrado no brazo central. A diferenza de fase entre os brazos superior e inferior é de π/2, o que se usa para a sintonización complexa, mentres que a diferenza de fase entre o brazo central é de -3 π/4. Esta configuración permite a interferencia destrutiva na portadora, como se mostra no plano complexo da Figura 1 (f).
Configuración experimental e resultados
A configuración experimental de alta velocidade móstrase na Figura 2 (a). Úsase un xerador de formas de onda arbitrarias (Keysight M8194A) como fonte de sinal e dous amplificadores de RF adaptados en fase de 60 GHz (con T de polarización integrados) utilízanse como controladores de modulador. A tensión de polarización do GeSi EAM é de -2,5 V e úsase un cable de RF adaptado en fase para minimizar a desaxuste de fase eléctrica entre os canais I e Q.
Figura 2: (a) Configuración experimental de alta velocidade, (b) Supresión de portadora a 70 Gbaudios, (c) Taxa de erro e taxa de datos, (d) Constelación a 70 Gbaudios. Utilízase un láser de cavidade externa (ECL) comercial cun ancho de liña de 100 kHz, lonxitude de onda de 1555 nm e unha potencia de 12 dBm como portadora óptica. Despois da modulación, o sinal óptico amplifícase mediante unamplificador de fibra dopado con erbio(EDFA) para compensar as perdas de acoplamento no chip e as perdas de inserción do modulador.
No extremo receptor, un analizador de espectro óptico (OSA) monitoriza o espectro do sinal e a supresión da portadora, como se mostra na Figura 2 (b) para un sinal de 70 Gbaudios. Utilízase un receptor coherente de polarización dual para recibir sinais, que consiste nun mesturador óptico de 90 graos e catroFotodiodos equilibrados de 40 GHze está conectado a un osciloscopio en tempo real (RTO) de 33 GHz e 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). A segunda fonte ECL cun ancho de liña de 100 kHz utilízase como oscilador local (LO). Debido a que o transmisor funciona en condicións de polarización única, só se usan dous canais electrónicos para a conversión analóxico-dixital (ADC). Os datos grávanse no RTO e procésanse mediante un procesador de sinal dixital (DSP) fóra de liña.
Como se mostra na Figura 2 (c), o modulador IQ probouse empregando o formato de modulación QPSK de 40 Gbaudios a 75 Gbaudios. Os resultados indican que en condicións de corrección de erros por decisión directa (HD-FEC) dura do 7 %, a velocidade pode alcanzar os 140 Gb/s; en condicións de corrección de erros por decisión directa suave (SD-FEC) do 20 %, a velocidade pode alcanzar os 150 Gb/s. O diagrama da constelación a 70 Gbaudios móstrase na Figura 2 (d). O resultado está limitado polo ancho de banda do osciloscopio de 33 GHz, que equivale a un ancho de banda de sinal de aproximadamente 66 Gbaudios.
Como se mostra na Figura 2 (b), a estrutura de tres brazos pode suprimir eficazmente as portadoras ópticas cunha taxa de supresión superior a 30 dB. Esta estrutura non require a supresión completa da portadora e tamén se pode usar en receptores que requiren tons de portadora para recuperar sinais, como os receptores Kramer Kronig (KK). A portadora pódese axustar mediante un desfasador de brazo central para conseguir a relación portadora-banda lateral (CSR) desexada.
Vantaxes e aplicacións
En comparación cos moduladores Mach-Zehnder tradicionais (Moduladores MZM) e outros moduladores de coeficiente intelectual optoelectrónicos baseados en silicio, o modulador de coeficiente intelectual de silicio proposto ten múltiples vantaxes. En primeiro lugar, é compacto en tamaño, máis de 10 veces máis pequeno que os moduladores de coeficiente intelectual baseados enModuladores Mach-Zehnder(excluíndo as almofadas de unión), aumentando así a densidade de integración e reducindo a área do chip. En segundo lugar, o deseño de eléctrodos apilados non require o uso de resistencias terminais, o que reduce a capacitancia do dispositivo e a enerxía por bit. En terceiro lugar, a capacidade de supresión de portadora maximiza a redución da potencia de transmisión, mellorando aínda máis a eficiencia enerxética.
Ademais, o ancho de banda óptico do GeSi EAM é moi amplo (máis de 30 nanómetros), o que elimina a necesidade de circuítos de control de retroalimentación multicanle e procesadores para estabilizar e sincronizar a resonancia dos moduladores de microondas (MRM), simplificando así o deseño.
Este modulador IQ compacto e eficiente é moi axeitado para transceptores coherentes pequenos e de nova xeración con alto número de canles en centros de datos, o que permite unha comunicación óptica de maior capacidade e máis eficiente enerxeticamente.
O modulador IQ de silicio con portadora suprimida presenta un rendemento excelente, cunha taxa de transmisión de datos de ata 150 Gb/s en condicións de 20 % de SD-FEC. A súa estrutura compacta de 3 brazos baseada en GeSi EAM ten vantaxes significativas en termos de pegada, eficiencia enerxética e simplicidade de deseño. Este modulador ten a capacidade de suprimir ou axustar a portadora óptica e pódese integrar con esquemas de detección coherente e de detección Kramer Kronig (KK) para transceptores coherentes compactos multiliña. Os logros demostrados impulsan a realización de transceptores ópticos altamente integrados e eficientes para satisfacer a crecente demanda de comunicación de datos de alta capacidade en centros de datos e outros campos.
Data de publicación: 21 de xaneiro de 2025