Συμπαγής οπτοηλεκτρονική με βάση το πυρίτιοΔιαμορφωτής IQγια συνεκτική επικοινωνία υψηλής ταχύτητας
Η αυξανόμενη ζήτηση για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων και πιο ενεργειακά αποδοτικούς πομποδέκτες σε κέντρα δεδομένων έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη συμπαγών συστημάτων υψηλής απόδοσης.οπτικοί διαμορφωτέςΗ οπτοηλεκτρονική τεχνολογία με βάση το 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 εξερευνήσει έναν νέο διαμορφωτή IQ πυριτίου με καταστολή φέροντος που βασίζεται σε GeSi EAMs, ο οποίος μπορεί να λειτουργήσει σε συχνότητα έως και 75 Gbaud.
Σχεδιασμός και χαρακτηριστικά συσκευής
Ο προτεινόμενος διαμορφωτής IQ υιοθετεί μια συμπαγή δομή τριών βραχιόνων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (α). Αποτελείται από τρία GeSi EAM και τρεις θερμοοπτικούς μετατοπιστές φάσης, υιοθετώντας μια συμμετρική διαμόρφωση. Το φως εισόδου συνδέεται στο τσιπ μέσω ενός ζεύκτη πλέγματος (GC) και διαιρείται ομοιόμορφα σε τρεις διαδρομές μέσω ενός πολυτροπικού συμβολόμετρου (MMI) 1×3. Αφού περάσει από τον διαμορφωτή και τον μετατοπιστή φάσης, το φως ανασυνδυάζεται από ένα άλλο 1×3 MMI και στη συνέχεια συνδέεται με μια μονοτροπική ίνα (SSMF).
Σχήμα 1: (α) Μικροσκοπική εικόνα του διαμορφωτή IQ· (β) – (δ) EO S21, φάσμα λόγου απόσβεσης και διαπερατότητα ενός μόνο GeSi EAM· (ε) Σχηματικό διάγραμμα του διαμορφωτή IQ και της αντίστοιχης οπτικής φάσης του μετατοπιστή φάσης· (στ) Αναπαράσταση καταστολής φορέα στο σύνθετο επίπεδο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (β), το GeSi EAM έχει ευρύ ηλεκτροοπτικό εύρος ζώνης. Το Σχήμα 1 (β) μέτρησε την παράμετρο S21 μιας μόνο δομής δοκιμής GeSi EAM χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή οπτικών συνιστωσών (LCA) 67 GHz. Τα Σχήματα 1 (γ) και 1 (δ) απεικονίζουν αντίστοιχα τα φάσματα λόγου στατικής απόσβεσης (ER) σε διαφορετικές τάσεις DC και τη μετάδοση σε μήκος κύματος 1555 νανόμετρα.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (ε), το κύριο χαρακτηριστικό αυτού του σχεδιασμού είναι η δυνατότητα καταστολής των οπτικών φορέων ρυθμίζοντας τον ενσωματωμένο μετατοπιστή φάσης στον μεσαίο βραχίονα. Η διαφορά φάσης μεταξύ του άνω και του κάτω βραχίονα 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 (στ).
Πειραματική διάταξη και αποτελέσματα
Η πειραματική διάταξη υψηλής ταχύτητας φαίνεται στο Σχήμα 2 (α). Μια γεννήτρια αυθαίρετης κυματομορφής (Keysight M8194A) χρησιμοποιείται ως πηγή σήματος και δύο ενισχυτές RF με αντιστοίχιση φάσης 60 GHz (με ενσωματωμένα πόλωση T) χρησιμοποιούνται ως οδηγοί διαμορφωτή. Η τάση πόλωσης του GeSi EAM είναι -2,5 V και ένα καλώδιο RF με αντιστοίχιση φάσης χρησιμοποιείται για την ελαχιστοποίηση της ηλεκτρικής αναντιστοιχίας φάσης μεταξύ των καναλιών I και Q.
Σχήμα 2: (α) Πειραματική διάταξη υψηλής ταχύτητας, (β) Καταστολή φέροντος στα 70 Gbaud, (γ) Ρυθμός σφάλματος και ρυθμός δεδομένων, (δ) Αστερισμός στα 70 Gbaud. Χρησιμοποιήστε ένα εμπορικό λέιζερ εξωτερικής κοιλότητας (ECL) με πλάτος γραμμής 100 kHz, μήκος κύματος 1555 nm και ισχύ 12 dBm ως οπτικό φέρον. Μετά τη διαμόρφωση, το οπτικό σήμα ενισχύεται χρησιμοποιώντας έναενισχυτής οπτικών ινών με πρόσμιξη ερβίου(EDFA) για την αντιστάθμιση των απωλειών σύζευξης στο τσιπ και των απωλειών εισαγωγής διαμορφωτή.
Στο άκρο λήψης, ένας Οπτικός Αναλυτής Φάσματος (OSA) παρακολουθεί το φάσμα σήματος και την καταστολή φέροντος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2 (β) για ένα σήμα 70 Gbaud. Χρησιμοποιήστε έναν συνεκτικό δέκτη διπλής πόλωσης για τη λήψη σημάτων, ο οποίος αποτελείται από έναν οπτικό μίκτη 90 μοιρών και τέσσεριςΙσορροπημένες φωτοδίοδοι 40 GHz, και είναι συνδεδεμένο με έναν παλμογράφο πραγματικού χρόνου (RTO) 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Η δεύτερη πηγή ECL με πλάτος γραμμής 100 kHz χρησιμοποιείται ως τοπικός ταλαντωτής (LO). Λόγω του ότι ο πομπός λειτουργεί υπό συνθήκες μονής πόλωσης, χρησιμοποιούνται μόνο δύο ηλεκτρονικά κανάλια για αναλογική-ψηφιακή μετατροπή (ADC). Τα δεδομένα καταγράφονται στο RTO και υποβάλλονται σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας έναν επεξεργαστή ψηφιακού σήματος (DSP) εκτός σύνδεσης.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2 (c), ο διαμορφωτής IQ δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας μορφή διαμόρφωσης QPSK από 40 Gbaud έως 75 Gbaud. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι υπό συνθήκες 7% σκληρής διόρθωσης σφάλματος προς τα εμπρός απόφασης (HD-FEC), ο ρυθμός μπορεί να φτάσει τα 140 Gb/s. Υπό συνθήκες 20% μαλακής διόρθωσης σφάλματος προς τα εμπρός απόφασης (SD-FEC), η ταχύτητα μπορεί να φτάσει τα 150 Gb/s. Το διάγραμμα αστερισμού στα 70 Gbaud φαίνεται στο Σχήμα 2 (d). Το αποτέλεσμα περιορίζεται από το εύρος ζώνης του παλμογράφου των 33 GHz, το οποίο ισοδυναμεί με εύρος ζώνης σήματος περίπου 66 Gbaud.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2 (β), η δομή των τριών βραχιόνων μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά τα οπτικά φέροντα με ρυθμό blocking που υπερβαίνει τα 30 dB. Αυτή η δομή δεν απαιτεί πλήρη καταστολή του φέροντος και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε δέκτες που απαιτούν τόνους φέροντος για την ανάκτηση σημάτων, όπως οι δέκτες Kramer Kronig (KK). Το φέρον μπορεί να ρυθμιστεί μέσω ενός κεντρικού βραχίονα μετατόπισης φάσης για να επιτευχθεί η επιθυμητή αναλογία φέροντος προς πλευρική ζώνη (CSR).
Πλεονεκτήματα και Εφαρμογές
Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς διαμορφωτές Mach Zehnder (Διαμορφωτές MZM) και άλλους οπτοηλεκτρονικούς διαμορφωτές IQ με βάση το πυρίτιο, ο προτεινόμενος διαμορφωτής IQ πυριτίου έχει πολλαπλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, είναι συμπαγής σε μέγεθος, περισσότερο από 10 φορές μικρότερος από τους διαμορφωτές IQ που βασίζονται σεΔιαμορφωτές Mach Zehnder(εξαιρουμένων των συγκολλητικών μαξιλαριών), αυξάνοντας έτσι την πυκνότητα ολοκλήρωσης και μειώνοντας την επιφάνεια του τσιπ. Δεύτερον, ο σχεδιασμός στοιβαγμένων ηλεκτροδίων δεν απαιτεί τη χρήση ακροδεκτικών αντιστάσεων, μειώνοντας έτσι την χωρητικότητα και την ενέργεια ανά bit της συσκευής. Τρίτον, η ικανότητα καταστολής φέροντος 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 κυκλώματα ελέγχου ανάδρασης πολλαπλών καναλιών και επεξεργαστές για τη σταθεροποίηση και τον συγχρονισμό του συντονισμού των διαμορφωτών μικροκυμάτων (MRM), απλοποιώντας έτσι τον σχεδιασμό.
Αυτός ο συμπαγής και αποδοτικός διαμορφωτής IQ είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για πομποδέκτες επόμενης γενιάς, μεγάλου αριθμού καναλιών και μικρούς συνεκτικούς πομποδέκτες σε κέντρα δεδομένων, επιτρέποντας μεγαλύτερη χωρητικότητα και πιο ενεργειακά αποδοτική οπτική επικοινωνία.
Ο διαμορφωτής πυριτίου IQ με καταστολή φέροντος παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση, με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων έως και 150 Gb/s υπό συνθήκες SD-FEC 20%. Η συμπαγής δομή 3 βραχιόνων που βασίζεται στο GeSi EAM έχει σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά το αποτύπωμα, την ενεργειακή απόδοση και την απλότητα σχεδιασμού. Αυτός ο διαμορφωτής έχει την ικανότητα να καταστέλλει ή να ρυθμίζει τον οπτικό φέροντα και μπορεί να ενσωματωθεί με συστήματα συνεκτικής ανίχνευσης και ανίχνευσης Kramer Kronig (KK) για συμπαγείς συνεκτικούς πομποδέκτες πολλαπλών γραμμών. Τα επιδειχθέντα επιτεύγματα οδηγούν στην υλοποίηση εξαιρετικά ολοκληρωμένων και αποδοτικών οπτικών πομποδεκτών για την κάλυψη της αυξανόμενης ζήτησης για επικοινωνία δεδομένων υψηλής χωρητικότητας σε κέντρα δεδομένων και σε άλλους τομείς.
Ώρα δημοσίευσης: 21 Ιανουαρίου 2025