Für kohärente Hochgeschwindigkeitskommunikation kompakter optoelektronischer IQ-Modulator auf Siliziumbasis

Kompakte Optoelektronik auf SiliziumbasisIQ-Modulatorfür kohärente Hochgeschwindigkeitskommunikation
Die steigende Nachfrage nach höheren Datenübertragungsraten und energieeffizienteren Transceivern in Rechenzentren hat die Entwicklung kompakter Hochleistungsgeräte vorangetriebenoptische Modulatoren. Die auf Silizium basierende optoelektronische Technologie (SiPh) hat sich zu einer vielversprechenden Plattform für die Integration verschiedener photonischer Komponenten auf einem einzigen Chip entwickelt und ermöglicht kompakte und kostengünstige Lösungen. In diesem Artikel wird ein neuartiger trägerunterdrückter Silizium-IQ-Modulator auf Basis von GeSi-EAMs untersucht, der mit einer Frequenz von bis zu 75 Gbaud arbeiten kann.
Gerätedesign und Eigenschaften
Der vorgeschlagene IQ-Modulator verfügt über eine kompakte dreiarmige Struktur, wie in Abbildung 1 (a) dargestellt. Bestehend aus drei GeSi EAM und drei thermooptischen Phasenschiebern mit symmetrischer Konfiguration. 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 Durchlaufen des Modulators und Phasenschiebers wird das Licht durch ein weiteres 1×3-MMI rekombiniert und dann an eine Singlemode-Faser (SSMF) gekoppelt.

Abbildung 1: (a) Mikroskopisches Bild des IQ-Modulators; (b) – (d) EO S21, Extinktionsverhältnisspektrum und Transmissionsgrad eines einzelnen GeSi EAM; (e) Schematische Darstellung des IQ-Modulators und der entsprechenden optischen Phase des Phasenschiebers; (f) Darstellung der Trägerunterdrückung auf 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-Optikkomponentenanalysator (LCA) gemessen. Die Abbildungen 1 (c) und 1 (d) zeigen jeweils die Spektren des statischen Extinktionsverhältnisses (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. Der Phasenunterschied zwischen Ober- und Unterarm beträgt π/2 und wird für komplexe Abstimmungen verwendet, während der Phasenunterschied zwischen dem Mittelarm -3 π/4 beträgt. Diese Konfiguration ermöglicht eine destruktive Interferenz mit dem Träger, wie in der komplexen Ebene von Abbildung 1 (f) dargestellt.
Versuchsaufbau und Ergebnisse
Der Hochgeschwindigkeits-Versuchsaufbau ist in Abbildung 2 (a) dargestellt. Als Signalquelle wird ein Arbiträrwellenformgenerator (Keysight M8194A) verwendet, und als Modulatortreiber werden zwei phasenangepasste 60-GHz-HF-Verstärker (mit integrierten Bias-T-Stücken) verwendet. Die Vorspannung von GeSi EAM beträgt -2,5 V, und ein phasenangepasstes HF-Kabel wird verwendet, um elektrische Phasenfehlanpassungen zwischen den I- und Q-Kanälen zu minimieren.
Abbildung 2: (a) Hochgeschwindigkeits-Versuchsaufbau, (b) Trägerunterdrückung bei 70 Gbaud, (c) Fehlerrate und Datenrate, (d) Konstellation bei 70 Gbaud. Verwenden Sie als optischen Träger einen handelsüblichen externen Hohlraumlaser (ECL) mit einer Linienbreite von 100 kHz, einer Wellenlänge von 1555 nm und einer Leistung von 12 dBm. Nach der Modulation wird das optische Signal mit einem verstärktErbiumdotierter Faserverstärker(EDFA) zum Ausgleich von On-Chip-Kopplungsverlusten und Modulator-Einfügungsverlusten.
Auf der Empfangsseite überwacht ein optischer Spektrumanalysator (OSA) das Signalspektrum und die Trägerunterdrückung, wie in Abbildung 2 (b) für ein 70-GBaud-Signal dargestellt. Verwenden Sie zum Empfangen von Signalen einen kohärenten Dual-Polarisationsempfänger, der aus einem optischen 90-Grad-Mischer und vier besteht40 GHz symmetrische Fotodiodenund ist mit einem 33 GHz, 80 GSa/s Echtzeitoszilloskop (RTO) (Keysight DSOZ634A) verbunden. Die zweite ECL-Quelle mit einer Linienbreite von 100 kHz wird als lokaler Oszillator (LO) verwendet. Da der Sender unter Einfachpolarisationsbedingungen arbeitet, werden für die Analog-Digital-Umwandlung (ADC) nur zwei elektronische Kanäle verwendet. Die Daten werden auf RTO aufgezeichnet und mithilfe eines Offline-Digitalsignalprozessors (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 die Rate unter 7 % Hard-Decision-Forward-Error-Correction (HD-FEC)-Bedingungen 140 Gbit/s erreichen kann; Unter der Bedingung einer Soft-Decision-Forward-Error-Correction (SD-FEC) von 20 % kann die Geschwindigkeit 150 Gbit/s erreichen. Das Konstellationsdiagramm bei 70 GBaud ist in Abbildung 2 (d) dargestellt. Begrenzt wird das Ergebnis durch die Oszilloskopbandbreite von 33 GHz, was einer Signalbandbreite von ca. 66 GBaud entspricht.

Wie in Abbildung 2 (b) dargestellt, kann die dreiarmige Struktur optische Träger mit einer Austastrate von mehr als 30 dB effektiv unterdrücken. Diese Struktur erfordert keine vollständige Unterdrückung des Trägers und kann auch in Empfängern verwendet werden, die Trägertöne zur Signalwiederherstellung benötigen, wie z. B. Kramer Kronig (KK)-Empfänger. Der Träger kann über einen Phasenschieber im zentralen Arm eingestellt 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 es kompakt, mehr als zehnmal kleiner als IQ-Modulatoren, die darauf basierenMach-Zehnder-Modulatoren(ohne Bondpads), wodurch die Integrationsdichte erhöht und die Chipfläche reduziert wird. Zweitens erfordert das gestapelte Elektrodendesign keine Abschlusswiderstände, wodurch die Gerätekapazität und die Energie pro Bit reduziert werden. Drittens maximiert die Fähigkeit zur 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), wodurch die Notwendigkeit mehrkanaliger Rückkopplungssteuerschaltungen und Prozessoren zur Stabilisierung und Synchronisierung der Resonanz von Mikrowellenmodulatoren (MRMs) entfällt, wodurch das Design vereinfacht wird.
Dieser kompakte und effiziente IQ-Modulator eignet sich hervorragend für kleine kohärente Transceiver der nächsten Generation mit hoher Kanalzahl in Rechenzentren und ermöglicht eine höhere Kapazität und eine energieeffizientere optische Kommunikation.
Der trägerunterdrückte Silizium-IQ-Modulator weist eine hervorragende Leistung mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 150 Gbit/s unter 20 % SD-FEC-Bedingungen auf. Seine kompakte 3-Arm-Struktur auf Basis von GeSi EAM bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich Platzbedarf, Energieeffizienz und Designeinfachheit. Dieser Modulator kann den optischen Träger unterdrücken oder anpassen und kann in kohärente Detektions- und Kramer Kronig (KK)-Detektionsschemata für kompakte kohärente Mehrleitungs-Transceiver integriert werden. Die nachgewiesenen Erfolge treiben die Realisierung hochintegrierter und effizienter optischer Transceiver voran, um der wachsenden Nachfrage nach Hochleistungsdatenkommunikation in Rechenzentren und anderen Bereichen gerecht zu werden.