Kompakte optoelektronische Bauelemente auf SiliziumbasisIQ-Modulatorfür kohärente Hochgeschwindigkeitskommunikation
Die steigende Nachfrage nach höheren Datenübertragungsraten und energieeffizienteren Transceivern in Rechenzentren hat die Entwicklung kompakter Hochleistungs-Transceiver vorangetrieben.optische ModulatorenSiliziumbasierte optoelektronische Technologie (SiPh) hat sich als vielversprechende Plattform für die Integration verschiedener photonischer Komponenten auf einem einzigen Chip etabliert und ermöglicht so 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 besitzt eine kompakte Drei-Arm-Struktur (siehe Abb. 1a). Er besteht aus drei GeSi-EAMs und drei thermooptischen Phasenschiebern in symmetrischer Konfiguration. Das einfallende Licht wird über einen Gitterkoppler (GC) in den Chip eingekoppelt und mittels eines 1×3-Multimode-Interferometers (MMI) gleichmäßig in drei Pfade aufgeteilt. Nach Durchlaufen des Modulators und des Phasenschiebers wird das Licht durch ein weiteres 1×3-MMI rekombiniert und anschließend in eine Singlemode-Faser (SSMF) eingekoppelt.
Abbildung 1: (a) Mikroskopische Aufnahme des IQ-Modulators; (b) – (d) EO S21, Extinktionsverhältnisspektrum und Transmissionsgrad eines einzelnen GeSi-EAM; (e) Schematische Darstellung des IQ-Modulators und der zugehörigen optischen Phase des Phasenschiebers; (f) Darstellung der Trägerunterdrückung in der komplexen Ebene. Wie in Abbildung 1 (b) gezeigt, weist GeSi-EAM eine große elektrooptische Bandbreite auf. Abbildung 1 (b) zeigt die Messung des S21-Parameters einer einzelnen GeSi-EAM-Teststruktur mit einem 67-GHz-Optischen Komponentenanalysator (LCA). Abbildung 1 (c) und 1 (d) zeigen die statischen Extinktionsverhältnisspektren (ER) bei verschiedenen Gleichspannungen bzw. die Transmission bei einer Wellenlänge von 1555 Nanometern.
Wie in Abbildung 1 (e) dargestellt, besteht das Hauptmerkmal dieser Konstruktion in der Möglichkeit, optische Träger durch Anpassen des integrierten Phasenschiebers im mittleren Arm zu unterdrücken. Die Phasendifferenz zwischen dem oberen und unteren Arm beträgt π/2 und wird für die komplexe Abstimmung genutzt, während die Phasendifferenz im mittleren Arm -3π/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. Als Signalquelle dient ein Arbiträrsignalgenerator (Keysight M8194A), und zwei phasenangepasste 60-GHz-HF-Verstärker (mit integrierten Bias-Tees) werden als Modulatortreiber verwendet. 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 externer Resonatorlaser (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 mittels eines Verstärkers verstärkt.Erbium-dotierter Faserverstärker(EDFA) zum Ausgleich 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. Zum Empfangen der Signale wird ein dualpolarisierter Kohärenzempfänger verwendet, der aus einem 90°-Lichtwellenleitermischer und vier weiteren Komponenten besteht.40 GHz symmetrische Fotodiodenund ist an ein 33-GHz-Echtzeitoszilloskop (RTO) mit 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A) angeschlossen. Die zweite ECL-Quelle mit einer Linienbreite von 100 kHz dient als Lokaloszillator (LO). Da der Sender unter Einpolarisationsbedingungen arbeitet, werden für die Analog-Digital-Wandlung (ADC) nur zwei elektronische Kanäle verwendet. Die Daten werden auf dem RTO aufgezeichnet und mit einem Offline-Digitalprozessor (DSP) verarbeitet.
Wie in Abbildung 2 (c) dargestellt, wurde der IQ-Modulator mit dem QPSK-Modulationsformat von 40 Gbaud bis 75 Gbaud getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Bedingungen der 7%igen Hard Decision Forward Error Correction (HD-FEC) eine Datenrate von 140 Gbit/s erreicht werden kann; unter Bedingungen der 20%igen Soft Decision Forward Error Correction (SD-FEC) erreicht die Geschwindigkeit 150 Gbit/s. Das Konstellationsdiagramm bei 70 Gbaud ist in Abbildung 2 (d) dargestellt. Das Ergebnis ist durch die Oszilloskop-Bandbreite von 33 GHz begrenzt, was einer Signalbandbreite von etwa 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 Signalwiederherstellung benötigen, wie beispielsweise Kramer-Kronig-Empfänger (KK-Empfänger). Der Träger kann über einen Phasenschieber im zentralen Arm angepasst werden, um das gewünschte Träger-Seitenband-Verhältnis (CSR) zu erzielen.
Vorteile und Anwendungsbereiche
Im Vergleich zu herkömmlichen Mach-Zehnder-Modulatoren (MZM-ModulatorenIm Vergleich zu anderen siliziumbasierten optoelektronischen IQ-Modulatoren bietet der vorgeschlagene Silizium-IQ-Modulator mehrere Vorteile. Erstens ist er kompakt und mehr als zehnmal kleiner als IQ-Modulatoren auf Siliziumbasis.Mach Zehnder Modulatoren(ohne Bondpads) wird dadurch die Integrationsdichte erhöht und die Chipfläche verringert. Zweitens benötigt das gestapelte Elektrodendesign keine Anschlusswiderstände, wodurch die Gerätekapazität und der Energieverbrauch pro Bit reduziert werden. Drittens maximiert die Ladungsträgerunterdrückung die Reduzierung der Sendeleistung und verbessert so die Energieeffizienz weiter.
Darüber hinaus ist die optische Bandbreite von GeSi EAM sehr groß (über 30 Nanometer), wodurch die Notwendigkeit von Mehrkanal-Rückkopplungs-Steuerschaltungen und Prozessoren zur Stabilisierung und Synchronisierung der Resonanz von Mikrowellenmodulatoren (MRMs) entfällt und somit die Konstruktion vereinfacht wird.
Dieser kompakte und effiziente IQ-Modulator eignet sich hervorragend für kohärente Transceiver der nächsten Generation mit hoher Kanalanzahl und kleinen Abmessungen in Rechenzentren und ermöglicht eine höhere Kapazität und energieeffizientere optische Kommunikation.
Der trägerunterdrückte Silizium-IQ-Modulator zeichnet sich durch hervorragende Leistung mit Datenübertragungsraten von bis zu 150 Gbit/s unter 20 % SD-FEC-Bedingungen aus. Seine kompakte 3-Arm-Struktur auf Basis von GeSi EAM bietet signifikante Vorteile hinsichtlich Platzbedarf, Energieeffizienz und Designvereinfachung. Dieser Modulator ermöglicht die Unterdrückung oder Anpassung des optischen Trägers und lässt sich mit kohärenter Detektion sowie Kramer-Kronig-Detektion (KK) für kompakte, mehrzeilige kohärente Transceiver integrieren. Die erzielten Ergebnisse treiben die Realisierung hochintegrierter und effizienter optischer Transceiver voran, um den wachsenden Bedarf an Datenkommunikation mit hoher Kapazität in Rechenzentren und anderen Anwendungsbereichen zu decken.
Veröffentlichungsdatum: 21. Januar 2025