Kompakt silikon tabanlı optoelektronikIQ modülatörüyüksek hızlı tutarlı iletişim için
Veri merkezlerinde daha yüksek veri iletim hızlarına ve daha enerji verimli alıcı-vericilere yönelik artan talep, kompakt yüksek performanslı cihazların geliştirilmesini tetiklemiştir.optik modülatörlerSilikon tabanlı optoelektronik teknoloji (SiPh), çeşitli fotonik bileşenleri tek bir çipe entegre etmek için umut vadeden bir platform haline gelmiş ve kompakt ve uygun maliyetli çözümler sağlamıştır. Bu makale, 75 Gbaud'a kadar frekansta çalışabilen, GeSi EAM'lere dayalı yeni bir taşıyıcı bastırmalı silikon IQ modülatörünü inceleyecektir.
Cihaz tasarımı ve özellikleri
Önerilen IQ modülatörü, Şekil 1 (a)'da gösterildiği gibi kompakt üç kollu bir yapı benimser. Üç GeSi EAM ve üç termo optik faz kaydırıcıdan oluşur ve simetrik bir konfigürasyon benimser. Giriş ışığı, bir ızgara kuplörü (GC) aracılığıyla çipe bağlanır ve 1×3 çok modlu interferometre (MMI) aracılığıyla üç yola eşit olarak bölünür. Modülatör ve faz kaydırıcıdan geçtikten sonra, ışık başka bir 1×3 MMI tarafından yeniden birleştirilir ve ardından tek modlu bir fiber (SSMF) ile bağlanır.
Şekil 1: (a) IQ modülatörünün mikroskobik görüntüsü; (b) – (d) Tek bir GeSi EAM'nin EO S21, sönüm oranı spektrumu ve geçirgenliği; (e) IQ modülatörünün şematik diyagramı ve faz kaydırıcının karşılık gelen optik fazı; (f) Karmaşık düzlemde taşıyıcı bastırma gösterimi. Şekil 1 (b)'de gösterildiği gibi, GeSi EAM geniş bir elektro-optik bant genişliğine sahiptir. Şekil 1 (b), 67 GHz optik bileşen analizörü (LCA) kullanılarak tek bir GeSi EAM test yapısının S21 parametresini ölçmüştür. Şekil 1 (c) ve 1 (d) sırasıyla farklı DC voltajlarında statik sönüm oranı (ER) spektrumlarını ve 1555 nanometre dalga boyundaki geçirgenliği göstermektedir.
Şekil 1 (e)'de gösterildiği gibi, bu tasarımın ana özelliği, orta koldaki entegre faz kaydırıcıyı ayarlayarak optik taşıyıcıları bastırma yeteneğidir. Üst ve alt kollar arasındaki faz farkı, karmaşık ayarlama için kullanılan π/2 iken, orta kol arasındaki faz farkı -3 π/4'tür. Bu konfigürasyon, Şekil 1 (f)'deki karmaşık düzlemde gösterildiği gibi, taşıyıcıya yıkıcı girişim yapılmasına olanak tanır.
Deneysel düzenek ve sonuçlar
Yüksek hızlı deneysel düzenek Şekil 2 (a)'da gösterilmiştir. Sinyal kaynağı olarak keyfi dalga formu üreteci (Keysight M8194A) ve modülatör sürücüleri olarak iki adet 60 GHz faz uyumlu RF amplifikatör (entegre bias tee'li) kullanılmıştır. GeSi EAM'nin bias voltajı -2,5 V'tur ve I ve Q kanalları arasındaki elektriksel faz uyumsuzluğunu en aza indirmek için faz uyumlu bir RF kablosu kullanılmıştır.
Şekil 2: (a) Yüksek hızlı deneysel kurulum, (b) 70 Gbaud'da taşıyıcı bastırma, (c) Hata oranı ve veri hızı, (d) 70 Gbaud'da takımyıldız. Optik taşıyıcı olarak 100 kHz çizgi genişliğine, 1555 nm dalga boyuna ve 12 dBm güce sahip ticari bir harici boşluklu lazer (ECL) kullanın. Modülasyondan sonra, optik sinyal bir kullanılarak yükseltilir.erbiyum katkılı fiber amplifikatör(EDFA), çip üzerindeki bağlantı kayıplarını ve modülatör ekleme kayıplarını telafi etmek için kullanılır.
Alıcı uçta, Şekil 2 (b)'de 70 Gbaud'luk bir sinyal için gösterildiği gibi, bir Optik Spektrum Analizörü (OSA) sinyal spektrumunu ve taşıyıcı bastırmayı izler. Sinyalleri almak için, 90 derecelik bir optik karıştırıcı ve dört adet çift kutuplu uyumlu alıcı kullanılır.40 GHz dengeli fotodiyotlarve 33 GHz, 80 GSa/s gerçek zamanlı osiloskopa (RTO) (Keysight DSOZ634A) bağlıdır. 100 kHz çizgi genişliğine sahip ikinci ECL kaynağı, yerel osilatör (LO) olarak kullanılır. Verici tek polarizasyon koşullarında çalıştığı için, analogdan dijitale dönüştürme (ADC) için yalnızca iki elektronik kanal kullanılır. Veriler RTO'ya kaydedilir ve çevrimdışı bir dijital sinyal işlemcisi (DSP) kullanılarak işlenir.
Şekil 2(c)'de gösterildiği gibi, IQ modülatörü 40 Gbaud'dan 75 Gbaud'a kadar QPSK modülasyon formatı kullanılarak test edilmiştir. Sonuçlar, %7 sert karar ileri hata düzeltme (HD-FEC) koşullarında hızın 140 Gb/s'ye ulaşabileceğini; %20 yumuşak karar ileri hata düzeltme (SD-FEC) koşullarında ise hızın 150 Gb/s'ye ulaşabileceğini göstermektedir. 70 Gbaud'daki takımyıldız diyagramı Şekil 2(d)'de gösterilmiştir. Sonuç, yaklaşık 66 Gbaud'luk bir sinyal bant genişliğine eşdeğer olan 33 GHz'lik osiloskop bant genişliği ile sınırlıdır.
Şekil 2(b)'de gösterildiği gibi, üç kollu yapı, 30 dB'yi aşan bir boşluk oranıyla optik taşıyıcıları etkili bir şekilde bastırabilir. Bu yapı, taşıyıcının tamamen bastırılmasını gerektirmez ve Kramer Kronig (KK) alıcıları gibi sinyalleri kurtarmak için taşıyıcı tonlarına ihtiyaç duyan alıcılarda da kullanılabilir. Taşıyıcı, istenen taşıyıcı-yan bant oranına (CSR) ulaşmak için merkezi bir kol faz kaydırıcısı aracılığıyla ayarlanabilir.
Avantajlar ve Uygulamalar
Geleneksel Mach Zehnder modülatörleriyle karşılaştırıldığında (MZM modülatörleri(ve diğer silikon tabanlı optoelektronik IQ modülatörlerine kıyasla) önerilen silikon IQ modülatörünün birçok avantajı vardır. Birincisi, kompakt boyutu sayesinde, (ve diğer silikon tabanlı) IQ modülatörlerinden 10 kat daha küçüktür.Mach Zehnder modülatörleri(bağlantı pedleri hariç), böylece entegrasyon yoğunluğu artar ve çip alanı azalır. İkinci olarak, yığılmış elektrot tasarımı terminal dirençlerinin kullanımını gerektirmez, bu da cihaz kapasitansını ve bit başına enerjiyi azaltır. Üçüncü olarak, taşıyıcı bastırma özelliği, iletim gücünün azaltılmasını en üst düzeye çıkararak enerji verimliliğini daha da artırır.
Ek olarak, GeSi EAM'nin optik bant genişliği çok geniştir (30 nanometrenin üzerinde), bu da mikrodalga modülatörlerinin (MRM'ler) rezonansını stabilize etmek ve senkronize etmek için çok kanallı geri besleme kontrol devrelerine ve işlemcilere olan ihtiyacı ortadan kaldırarak tasarımı basitleştirir.
Bu kompakt ve verimli IQ modülatörü, veri merkezlerindeki yeni nesil, yüksek kanal sayısına sahip ve küçük koherent alıcı-vericiler için son derece uygundur ve daha yüksek kapasiteli ve daha enerji verimli optik iletişimi mümkün kılar.
Taşıyıcı bastırmalı silikon IQ modülatörü, %20 SD-FEC koşulları altında 150 Gb/s'ye kadar veri iletim hızıyla mükemmel performans sergilemektedir. GeSi EAM tabanlı kompakt 3 kollu yapısı, kapladığı alan, enerji verimliliği ve tasarım basitliği açısından önemli avantajlara sahiptir. Bu modülatör, optik taşıyıcıyı bastırma veya ayarlama yeteneğine sahiptir ve çok hatlı kompakt tutarlı alıcı-vericiler için tutarlı algılama ve Kramer Kronig (KK) algılama şemalarıyla entegre edilebilir. Gösterilen başarılar, veri merkezlerinde ve diğer alanlarda yüksek kapasiteli veri iletişimine yönelik artan talebi karşılamak için yüksek düzeyde entegre ve verimli optik alıcı-vericilerin gerçekleştirilmesini sağlamaktadır.
Yayın tarihi: 21 Ocak 2025