Kompakte Optoelektronik auf SiliziumbasisIQ-Modulatorfür kohärente Hochgeschwindigkeitskommunikation
Die steigende Nachfrage nach höheren Datenübertragungsraten und energieeffizienteren Transceivern in Rechenzentren hat die Entwicklung kompakter Hochleistungs-optische ModulatorenDie siliziumbasierte Optoelektronik (SiPh) hat sich zu einer vielversprechenden Plattform für die Integration verschiedener photonischer Komponenten auf einem einzigen Chip entwickelt und ermöglicht kompakte und kostengünstige Lösungen. Dieser Artikel untersucht einen neuartigen trägerunterdrückten Silizium-IQ-Modulator auf Basis von GeSi-EAMs, der mit einer Frequenz von bis zu 75 Gbaud betrieben werden kann.
Gerätedesign und Eigenschaften
Der vorgeschlagene IQ-Modulator verfügt über eine kompakte Dreiarmstruktur, wie in Abbildung 1 (a) dargestellt. Er besteht aus drei GeSi EAM und drei thermooptischen Phasenschiebern und ist symmetrisch aufgebaut. Das Eingangslicht wird über einen Gitterkoppler (GC) in den Chip eingekoppelt und durch ein 1×3-Multimode-Interferometer (MMI) gleichmäßig in drei Pfade aufgeteilt. Nach dem Durchgang durch Modulator und Phasenschieber wird das Licht durch ein weiteres 1×3-MMI rekombiniert und anschließend an eine Singlemode-Faser (SSMF) gekoppelt.
Abbildung 1: (a) Mikroskopische Aufnahme des IQ-Modulators; (b) – (d) EO S21, Extinktionsverhältnisspektrum und Transmission eines einzelnen GeSi-EAM; (e) Schematische Darstellung des IQ-Modulators und der entsprechenden optischen Phase des Phasenschiebers; (f) Trägerunterdrückungsdarstellung in der komplexen Ebene. Wie in Abbildung 1 (b) dargestellt, verfügt GeSi-EAM über eine große elektrooptische Bandbreite. In Abbildung 1 (b) wurde der S21-Parameter einer einzelnen GeSi-EAM-Teststruktur mit einem 67 GHz optischen Komponentenanalysator (LCA) gemessen. Abbildung 1 (c) und 1 (d) zeigen jeweils die statischen Extinktionsverhältnisspektren (ER) bei verschiedenen Gleichspannungen und die Transmission bei einer Wellenlänge von 1555 Nanometern.
Wie in Abbildung 1 (e) dargestellt, ist das Hauptmerkmal dieses Designs die Fähigkeit, optische Träger durch Anpassung des integrierten Phasenschiebers im Mittelarm zu unterdrücken. Die Phasendifferenz zwischen dem oberen und unteren Arm beträgt π/2 und wird für die komplexe Abstimmung verwendet, während die Phasendifferenz zwischen dem mittleren Arm -3 π/4 beträgt. Diese Konfiguration ermöglicht destruktive Interferenz des Trägers, wie in der komplexen Ebene von Abbildung 1 (f) dargestellt.
Versuchsaufbau und Ergebnisse
Der Hochgeschwindigkeits-Versuchsaufbau ist in Abbildung 2 (a) dargestellt. Ein Arbiträrsignalgenerator (Keysight M8194A) dient als Signalquelle, und zwei phasenangepasste 60-GHz-HF-Verstärker (mit integrierten Bias-T-Verstärkern) dienen als Modulatortreiber. Die Vorspannung des GeSi EAM beträgt -2,5 V, und ein phasenangepasstes HF-Kabel minimiert die elektrische Phasenfehlanpassung zwischen den I- und Q-Kanälen.
Abbildung 2: (a) Hochgeschwindigkeits-Versuchsaufbau, (b) Trägerunterdrückung bei 70 Gbaud, (c) Fehlerrate und Datenrate, (d) Konstellation bei 70 Gbaud. Als optischer Träger wird ein kommerzieller External-Cavity-Laser (ECL) mit einer Linienbreite von 100 kHz, einer Wellenlänge von 1555 nm und einer Leistung von 12 dBm verwendet. Nach der Modulation wird das optische Signal mit einemErbium-dotierter Faserverstärker(EDFA) zur Kompensation von On-Chip-Kopplungsverlusten und Modulator-Einfügungsverlusten.
Am Empfangsende überwacht ein optischer Spektrumanalysator (OSA) das Signalspektrum und die Trägerunterdrückung, wie in Abbildung 2 (b) für ein 70-Gbaud-Signal dargestellt. Verwenden Sie einen kohärenten Empfänger mit dualer Polarisation zum Empfangen von Signalen, der aus einem optischen 90-Grad-Mischer und vier40 GHz symmetrische Fotodioden, und ist mit einem 33 GHz, 80 GSa/s Echtzeitoszilloskop (RTO) (Keysight DSOZ634A) verbunden. Die zweite ECL-Quelle mit einer Linienbreite von 100 kHz dient als Lokaloszillator (LO). Da der Sender unter Einzelpolarisationsbedingungen arbeitet, werden nur zwei elektronische Kanäle für die Analog-Digital-Wandlung (ADC) verwendet. Die Daten werden auf dem RTO aufgezeichnet und mit einem Offline-Digitalsignalprozessor (DSP) verarbeitet.
Wie in Abbildung 2 (c) dargestellt, wurde der IQ-Modulator im QPSK-Modulationsformat von 40 Gbaud bis 75 Gbaud getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass unter 7 % Hard Decision Forward Error Correction (HD-FEC) die Rate 140 Gbit/s erreichen kann; unter 20 % Soft Decision Forward Error Correction (SD-FEC) sind es 150 Gbit/s. Das Konstellationsdiagramm bei 70 Gbaud ist in Abbildung 2 (d) dargestellt. Das Ergebnis wird durch die Oszilloskopbandbreite von 33 GHz begrenzt, was einer Signalbandbreite von ca. 66 Gbaud entspricht.
Wie in Abbildung 2 (b) dargestellt, kann die Dreiarmstruktur optische Träger mit einer Austastrate von über 30 dB effektiv unterdrücken. Diese Struktur erfordert keine vollständige Unterdrückung des Trägers und kann auch in Empfängern eingesetzt werden, die Trägertöne zur Signalrückgewinnung benötigen, wie z. B. Kramer Kronig (KK)-Empfänger. Der Träger kann über einen Phasenschieber im Mittelarm angepasst werden, um das gewünschte Träger-Seitenband-Verhältnis (CSR) zu erreichen.
Vorteile und Anwendungen
Im Vergleich zu herkömmlichen Mach-Zehnder-Modulatoren (MZM-Modulatoren) und anderen optoelektronischen IQ-Modulatoren auf Siliziumbasis bietet der vorgeschlagene Silizium-IQ-Modulator mehrere Vorteile. Erstens ist er kompakt und mehr als zehnmal kleiner als IQ-Modulatoren auf Basis vonMach Zehnder Modulatoren(ohne Bonding-Pads), wodurch die Integrationsdichte erhöht und die Chipfläche reduziert wird. Zweitens benötigt das gestapelte Elektrodendesign keine Abschlusswiderstände, wodurch die Gerätekapazität und der Energieverbrauch pro Bit reduziert werden. Drittens maximiert die Trägerunterdrückung die Reduzierung der Sendeleistung und verbessert so die Energieeffizienz weiter.
Darüber hinaus ist die optische Bandbreite von GeSi EAM sehr groß (über 30 Nanometer), sodass keine mehrkanaligen Rückkopplungssteuerschaltungen und Prozessoren zur Stabilisierung und Synchronisierung der Resonanz von Mikrowellenmodulatoren (MRMs) erforderlich sind, was das Design vereinfacht.
Dieser kompakte und effiziente IQ-Modulator eignet sich hervorragend für kleine kohärente Transceiver der nächsten Generation mit hoher Kanalanzahl in Rechenzentren und ermöglicht eine optische Kommunikation mit höherer Kapazität und energieeffizienterer Leistung.
Der trägerunterdrückte Silizium-IQ-Modulator bietet eine hervorragende Leistung mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 150 Gb/s unter 20 % SD-FEC-Bedingungen. Seine kompakte 3-Arm-Struktur auf Basis von GeSi EAM bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich Platzbedarf, Energieeffizienz und Design-Einfachheit. Dieser Modulator unterdrückt oder regelt den optischen Träger und kann mit kohärenten Detektions- und Kramer-Kronig-(KK)-Detektionssystemen für mehrzeilige kompakte kohärente Transceiver integriert werden. Die gezeigten Erfolge treiben die Realisierung hochintegrierter und effizienter optischer Transceiver voran, um der wachsenden Nachfrage nach Hochleistungs-Datenkommunikation in Rechenzentren und anderen Bereichen gerecht zu werden.
Veröffentlichungszeit: 21. Januar 2025