optoeletrônico compacto baseado em silíciomodulador de QIpara comunicação coerente de alta velocidade
A crescente demanda por taxas de transmissão de dados mais altas e transceptores mais eficientes em termos de energia em data centers impulsionou o desenvolvimento de dispositivos compactos de alto desempenho.moduladores ópticosA tecnologia optoeletrônica baseada em silício (SiPh) tornou-se uma plataforma promissora para a integração de diversos componentes fotônicos em um único chip, possibilitando soluções compactas e econômicas. Este artigo explorará um novo modulador IQ de silício com supressão de portadora baseado em EAMs de GeSi, capaz de operar em uma frequência de até 75 Gbaud.
Design e características do dispositivo
O modulador IQ proposto adota uma estrutura compacta de três braços, conforme mostrado na Figura 1(a). Composto por três moduladores axial de energia (EAM) de GeSi e três deslocadores de fase termo-ópticos, adota uma configuração simétrica. A luz de entrada é acoplada ao chip através de um acoplador de grade (GC) e dividida igualmente em três caminhos por meio de um interferômetro multimodo (MMI) 1×3. Após passar pelo modulador e pelo deslocador de fase, a luz é recombinada por outro MMI 1×3 e então acoplada a uma fibra monomodo (SSMF).
Figura 1: (a) Imagem microscópica do modulador IQ; (b) – (d) EO S21, espectro da razão de extinção e transmitância de um único EAM de GeSi; (e) Diagrama esquemático do modulador IQ e fase óptica correspondente do deslocador de fase; (f) Representação da supressão da portadora no plano complexo. Como mostrado na Figura 1 (b), o EAM de GeSi possui uma ampla largura de banda eletro-óptica. A Figura 1 (b) mostra a medição do parâmetro S21 de uma estrutura de teste de um único EAM de GeSi usando um analisador de componentes ópticos (LCA) de 67 GHz. As Figuras 1 (c) e 1 (d) mostram, respectivamente, os espectros da razão de extinção (ER) estática em diferentes tensões CC e a transmissão em um comprimento de onda de 1555 nanômetros.
Como mostrado na Figura 1 (e), a principal característica deste projeto é a capacidade de suprimir portadoras ópticas ajustando o deslocador de fase integrado no braço central. A diferença de fase entre os braços superior e inferior é π/2, usada para ajuste complexo, enquanto a diferença de fase no braço central é -3π/4. Essa configuração permite interferência destrutiva na portadora, como mostrado no plano complexo da Figura 1 (f).
Configuração experimental e resultados
A configuração experimental de alta velocidade é mostrada na Figura 2 (a). Um gerador de forma de onda arbitrária (Keysight M8194A) é usado como fonte de sinal, e dois amplificadores de RF com casamento de fase de 60 GHz (com divisores de polarização integrados) são usados como drivers de modulação. A tensão de polarização do EAM de GeSi é de -2,5 V, e um cabo de RF com casamento de fase é usado para minimizar o desajuste de fase elétrica entre os canais I e Q.
Figura 2: (a) Configuração experimental de alta velocidade, (b) Supressão da portadora a 70 Gbaud, (c) Taxa de erro e taxa de dados, (d) Constelação a 70 Gbaud. Utilize um laser de cavidade externa (ECL) comercial com largura de linha de 100 kHz, comprimento de onda de 1555 nm e potência de 12 dBm como portadora óptica. Após a modulação, o sinal óptico é amplificado utilizando umamplificador de fibra dopada com érbio(EDFA) para compensar as perdas de acoplamento no chip e as perdas de inserção do modulador.
Na extremidade receptora, um Analisador de Espectro Óptico (OSA) monitora o espectro do sinal e a supressão da portadora, como mostrado na Figura 2 (b) para um sinal de 70 Gbaud. Utilize um receptor coerente de dupla polarização para receber os sinais, que consiste em um misturador óptico de 90 graus e quatroFotodiodos balanceados de 40 GHze está conectado a um osciloscópio em tempo real (RTO) de 33 GHz e 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). A segunda fonte ECL, com largura de linha de 100 kHz, é usada como oscilador local (LO). Devido ao transmissor operar em condições de polarização única, apenas dois canais eletrônicos são usados para a conversão analógico-digital (ADC). Os dados são registrados no RTO e processados usando um processador de sinal digital (DSP) offline.
Como mostrado na Figura 2 (c), o modulador IQ foi testado usando o formato de modulação QPSK de 40 Gbaud a 75 Gbaud. Os resultados indicam que, sob condições de correção de erros direta por decisão rígida (HD-FEC) de 7%, a taxa pode atingir 140 Gb/s; sob a condição de correção de erros direta por decisão flexível (SD-FEC) de 20%, a velocidade pode atingir 150 Gb/s. O diagrama de constelação a 70 Gbaud é mostrado na Figura 2 (d). O resultado é limitado pela largura de banda do osciloscópio de 33 GHz, o que é equivalente a uma largura de banda de sinal de aproximadamente 66 Gbaud.
Conforme mostrado na Figura 2 (b), a estrutura de três braços pode suprimir efetivamente as portadoras ópticas com uma taxa de supressão superior a 30 dB. Essa estrutura não requer a supressão completa da portadora e também pode ser usada em receptores que necessitam de tons portadores para recuperar sinais, como os receptores Kramer-Kronig (KK). A portadora pode ser ajustada por meio de um deslocador de fase no braço central para atingir a relação portadora-banda lateral (CSR) desejada.
Vantagens e aplicações
Comparado com os moduladores Mach Zehnder tradicionais (Moduladores MZM) e outros moduladores IQ optoeletrônicos baseados em silício, o modulador IQ de silício proposto apresenta múltiplas vantagens. Primeiramente, ele é compacto, mais de 10 vezes menor que os moduladores IQ baseados emModuladores Mach Zehnder(excluindo as áreas de contato), aumentando assim a densidade de integração e reduzindo a área do chip. Em segundo lugar, o design de eletrodos empilhados dispensa o uso de resistores terminais, reduzindo a capacitância do dispositivo e o consumo de energia por bit. Em terceiro lugar, a capacidade de supressão de portadores maximiza a redução da potência de transmissão, melhorando ainda mais a eficiência energética.
Além disso, a largura de banda óptica do GeSi EAM é muito ampla (acima de 30 nanômetros), eliminando a necessidade de circuitos de controle de feedback multicanal e processadores para estabilizar e sincronizar a ressonância dos moduladores de micro-ondas (MRMs), simplificando assim o projeto.
Este modulador IQ compacto e eficiente é altamente adequado para transceptores coerentes de última geração, com alto número de canais e tamanho reduzido, em centros de dados, permitindo maior capacidade e comunicação óptica mais eficiente em termos de energia.
O modulador IQ de silício com supressão de portadora apresenta excelente desempenho, com uma taxa de transmissão de dados de até 150 Gb/s sob condições de SD-FEC de 20%. Sua estrutura compacta de 3 braços baseada em EAM de GeSi oferece vantagens significativas em termos de tamanho, eficiência energética e simplicidade de projeto. Este modulador tem a capacidade de suprimir ou ajustar a portadora óptica e pode ser integrado com detecção coerente e esquemas de detecção Kramer-Kronig (KK) para transceptores coerentes compactos de múltiplas linhas. As conquistas demonstradas impulsionam a realização de transceptores ópticos altamente integrados e eficientes para atender à crescente demanda por comunicação de dados de alta capacidade em data centers e outras áreas.
Data da publicação: 21/01/2025