Συμπαγή οπτικοηλεκτρονικό βασισμένο σε πυρίτιοΔιαμορφωτής IQγια συνεκτική επικοινωνία υψηλής ταχύτητας
Η αυξανόμενη ζήτηση για υψηλότερα ποσοστά μετάδοσης δεδομένων και οι πιο ενεργειακά αποδοτικοί πομποδέκτες στα κέντρα δεδομένων οδήγησαν στην ανάπτυξη συμπαγής υψηλής απόδοσηςοπτικοί διαμορφωτές. Η οπτοηλεκτρονική τεχνολογία που βασίζεται σε πυρίτιο (SIPH) έχει γίνει μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για την ενσωμάτωση διαφόρων φωτονικών εξαρτημάτων σε ένα μόνο τσιπ, επιτρέποντας συμπαγείς και οικονομικά αποδοτικές λύσεις. Αυτό το άρθρο θα διερευνήσει έναν νέο φορέα που καταστέλλει τον διαμορφωτή IQ πυριτίου με βάση το Gesi Eams, το οποίο μπορεί να λειτουργήσει με συχνότητα μέχρι 75 GBAUD.
Σχεδιασμός και χαρακτηριστικά συσκευής
Ο προτεινόμενος διαμορφωτής IQ υιοθετεί μια συμπαγή δομή τριών βραχίονα, όπως φαίνεται στο σχήμα 1 (α). Αποτελείται από τρεις Gesi Eam και τρεις μετατοπιστές οπτικής φάσης, υιοθετώντας μια συμμετρική διαμόρφωση. Το φως εισόδου συνδέεται με το τσιπ μέσω ενός ζεύκτη πλέγματος (GC) και ομοιόμορφα διαιρείται σε τρεις διαδρομές μέσω ενός συμβολομέτρου πολλαπλών κώδικα 1 × 3 (MMI). Αφού διέρχεται από τον διαμορφωτή και τον μετατοπιστή φάσης, το φως ανασυνδυάζεται από άλλα 1 × 3 mmI και στη συνέχεια συνδέεται με ίνες μονής λειτουργίας (SSMF).
Εικόνα 1: (α) Μικροσκοπική εικόνα του διαμορφωτή IQ. (β) - (δ) EO S21, φάσμα λόγου εξαφάνισης και μετάδοση ενός μόνο gesi eam. (ε) Σχηματικό διάγραμμα του διαμορφωτή IQ και της αντίστοιχης οπτικής φάσης του μετατοπιστή φάσης. (στ) Αντιπροσωπεία καταστολής φορέα στο σύνθετο επίπεδο. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1 (β), το Gesi eam έχει ένα ευρύ ηλεκτρο-οπτικό εύρος ζώνης. Το σχήμα 1 (b) μέτρησε την παράμετρο S21 μιας ενιαίας δομής δοκιμής GESI EAM χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή οπτικών εξαρτημάτων 67 GHz (LCA). Τα Σχήματα 1 (c) και 1 (d) απεικονίζουν αντίστοιχα το φάσμα στατικής αναλογίας εξαφάνισης (ER) σε διαφορετικές τάσεις DC και τη μετάδοση σε μήκος κύματος 1555 νανομέτρων.
Όπως φαίνεται στο σχήμα 1 (ε), το κύριο χαρακτηριστικό αυτού του σχεδίου είναι η δυνατότητα καταστολής των οπτικών φορέων προσαρμόζοντας τον ολοκληρωμένο μετατοπιστή φάσης στο μεσαίο βραχίονα. Η διαφορά φάσης μεταξύ των άνω και κάτω βραχιόνων είναι π/2, που χρησιμοποιείται για σύνθετο συντονισμό, ενώ η διαφορά φάσης μεταξύ του μεσαίου βραχίονα είναι -3 π/4. Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει την καταστροφική παρεμβολή στον φορέα, όπως φαίνεται στο σύνθετο επίπεδο του Σχήματος 1 (F).
Πειραματική ρύθμιση και αποτελέσματα
Η πειραματική ρύθμιση υψηλής ταχύτητας παρουσιάζεται στο σχήμα 2 (α). Χρησιμοποιείται μια αυθαίρετη γεννήτρια κυματομορφής (Keysight M8194A) ως πηγή σήματος και δύο ενισχυτές RF που ταιριάζουν με τη φάση των 60 GHz (με ενσωματωμένα tees bias) χρησιμοποιούνται ως οδηγοί διαμορφωτή. Η τάση προκατάληψης του Gesi eam είναι -2,5 V και ένα καλώδιο RF που ταιριάζει με φάση χρησιμοποιείται για την ελαχιστοποίηση της αναντιστοιχίας ηλεκτρικής φάσης μεταξύ των καναλιών I και Q.
Εικόνα 2: (α) Πειραματική ρύθμιση υψηλής ταχύτητας, (β) Καταστολή του φορέα σε 70 GBAUD, (γ) Ποσοστό σφάλματος και ρυθμό δεδομένων, (δ) Ανταγωνισμός σε 70 GBAUD. Χρησιμοποιήστε ένα εμπορικό λέιζερ εξωτερικής κοιλότητας (ECL) με γραμμικό εύρος 100 kHz, μήκος κύματος 1555 nm και ισχύ 12 dBM ως οπτικό φορέα. Μετά τη διαμόρφωση, το οπτικό σήμα ενισχύεται χρησιμοποιώντας έναενισχυτής ινών με πρόσκρουση(EDFA) για την αντιστάθμιση για απώλειες σύζευξης σε τσιπ και απώλειες εισαγωγής διαμορφωτή.
Στο άκρο λήψης, ένας αναλυτής οπτικού φάσματος (OSA) παρακολουθεί το φάσμα σήματος και την καταστολή του φορέα, όπως φαίνεται στο σχήμα 2 (b) για ένα σήμα 70 GBAUD. Χρησιμοποιήστε έναν συνεκτικό δέκτη διπλής πόλωσης για να λάβετε σήματα, το οποίο αποτελείται από οπτικό μίξερ 90 μοιρών και τέσσερα40 GHz ισορροπημένες φωτοδίοδοι, και συνδέεται με ένα 33 GHz, 80 GSA/S σε πραγματικό χρόνο παλμογράφο (RTO) (Keysight DSOZ634A). Η δεύτερη πηγή ECL με εύρος γραμμής 100 kHz χρησιμοποιείται ως τοπικός ταλαντωτής (LO). Λόγω του πομπού που λειτουργεί υπό συνθήκες ενιαίας πόλωσης, χρησιμοποιούνται μόνο δύο ηλεκτρονικά κανάλια για την αναλογική προς ψηφιακή μετατροπή (ADC). Τα δεδομένα καταγράφονται σε RTO και επεξεργάζονται χρησιμοποιώντας έναν επεξεργαστή ψηφιακού σήματος εκτός σύνδεσης (DSP).
Όπως φαίνεται στο σχήμα 2 (c), ο διαμορφωτής IQ δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας μορφή διαμόρφωσης QPSK από 40 GBAUD έως 75 GBAUD. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι κάτω από 7% σκληρές αποφάσεις προωθήσεις για τη διόρθωση σφάλματος (HD-FEC), ο ρυθμός μπορεί να φτάσει τα 140 GB/s. Υπό την προϋπόθεση της διόρθωσης σφαλμάτων προωθητικής απόφασης 20% (SD-FEC), η ταχύτητα μπορεί να φτάσει τα 150 GB/s. Το διάγραμμα αστερισμού στο 70 GBAUD παρουσιάζεται στο σχήμα 2 (d). Το αποτέλεσμα περιορίζεται από το εύρος ζώνης του παλμογράφου των 33 GHz, το οποίο ισοδυναμεί με ένα εύρος ζώνης σημάτων περίπου 66 GBAUD.
Όπως φαίνεται στο σχήμα 2 (β), η δομή των τριών βραχίονα μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά τους οπτικούς φορείς με ρυθμό κενού που υπερβαίνει τα 30 dB. Αυτή η δομή δεν απαιτεί πλήρη καταστολή του μεταφορέα και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε δέκτες που απαιτούν αποχρώσεις φορέα για την ανάκτηση σημάτων, όπως οι δέκτες Kramer Kronig (KK). Ο φορέας μπορεί να ρυθμιστεί μέσω ενός μετατοπιστή φάσης κεντρικού βραχίονα για να επιτευχθεί ο επιθυμητός λόγος μεταφορέα προς πλευρική ζώνη (CSR).
Πλεονεκτήματα και εφαρμογές
Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς διαμορφωτές Mach Zehnder (MIZM διαμορφωτές) και άλλοι οπτοηλεκτρονικοί διαμορφωτές IQ με βάση το πυρίτιο, ο προτεινόμενος διαμορφωτής IQ πυριτίου έχει πολλαπλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, είναι συμπαγές σε μέγεθος, περισσότερο από 10 φορές μικρότερο από τους διαμορφωτές IQ με βάσηMach Zehnder διαμορφωτές(εξαιρουμένων των μαξιλαριών συγκόλλησης), αυξάνοντας έτσι την πυκνότητα ενσωμάτωσης και τη μείωση της περιοχής τσιπ. Δεύτερον, ο στοιβαγμένος σχεδιασμός ηλεκτροδίων δεν απαιτεί τη χρήση αντιστάσεων τερματικών, μειώνοντας έτσι τη χωρητικότητα και την ενέργεια ανά bit. Τρίτον, η ικανότητα καταστολής του φορέα μεγιστοποιεί τη μείωση της ισχύος μετάδοσης, βελτιώνοντας περαιτέρω την ενεργειακή απόδοση.
Επιπλέον, το οπτικό εύρος ζώνης του GESI EAM είναι πολύ ευρύ (πάνω από 30 νανόμετρα), εξαλείφοντας την ανάγκη για τα κυκλώματα ελέγχου και τους επεξεργαστές ανατροφοδότησης πολλαπλών καναλιών για τη σταθεροποίηση και το συγχρονισμό του συντονισμού των διαμορφωτών μικροκυμάτων (MRMs), απλοποιώντας έτσι το σχεδιασμό.
Αυτός ο συμπαγής και αποτελεσματικός διαμορφωτής IQ είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για την επόμενη γενιά, τον αριθμό των καναλιών και τους μικρούς συνεκτικούς πομποδέκτες σε κέντρα δεδομένων, επιτρέποντας μεγαλύτερη χωρητικότητα και πιο ενεργειακά αποδοτική οπτική επικοινωνία.
Ο φορέας καταστέλλει τον διαμορφωτή IQ του πυριτίου παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση, με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων μέχρι 150 GB/s κάτω από 20% συνθήκες SD-FEC. Η συμπαγής δομή 3-βραχίονα που βασίζεται στο GESI EAM έχει σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά το αποτύπωμα, την ενεργειακή απόδοση και την απλότητα του σχεδιασμού. Αυτός ο διαμορφωτής έχει τη δυνατότητα να καταστέλλει ή να ρυθμίζει τον οπτικό φορέα και μπορεί να ενσωματωθεί με συνεκτική ανίχνευση και συστήματα ανίχνευσης Kramer Kronig (KK) για συμπαγείς πομποδέκτες πολλαπλών γραμμών. Τα αποδεδειγμένα επιτεύγματα οδηγούν στην υλοποίηση των εξαιρετικά ολοκληρωμένων και αποτελεσματικών οπτικών πομποδέκτες για να ανταποκριθούν στην αυξανόμενη ζήτηση για επικοινωνία δεδομένων υψηλής χωρητικότητας σε κέντρα δεδομένων και σε άλλους τομείς.
Χρόνος δημοσίευσης: Ιαν-21-2025