Modulador IQ optoelectrónico compacto basado en silicio para comunicación coherente de alta velocidad

Optoelectrónico compacto basado en silicioModulador de CIpara una comunicación coherente de alta velocidad
La creciente demanda de mayores velocidades de transmisión de datos y transceptores más eficientes energéticamente en los centros de datos ha impulsado el desarrollo de equipos compactos de alto rendimiento.moduladores ópticosLa tecnología optoelectrónica basada en silicio (SiPh) se ha convertido en una plataforma prometedora para integrar diversos componentes fotónicos en un solo chip, lo que permite soluciones compactas y rentables. Este artículo explorará un novedoso modulador IQ de silicio con supresión de portadora basado en EAM de GeSi, que puede operar a una frecuencia de hasta 75 Gbaud.
Diseño y características del dispositivo
El modulador IQ propuesto adopta una estructura compacta de tres brazos, como se muestra en la Figura 1 (a). Está compuesto por tres EAM de GeSi y tres desfasadores termoópticos, con una configuración simétrica. La luz de entrada se acopla al chip mediante un acoplador de red (GC) y se divide uniformemente en tres caminos a través de un interferómetro multimodo (MMI) 1×3. Tras pasar por el modulador y el desfasador, la luz se recombina mediante otro MMI 1×3 y se acopla a una fibra monomodo (SSMF).

Figura 1: (a) Imagen microscópica del modulador IQ; (b) – (d) EO S21, espectro de la relación de extinción y transmitancia de un único EAM de GeSi; (e) Diagrama esquemático del modulador IQ y la fase óptica correspondiente del desfasador; (f) Representación de la supresión de portadora en el plano complejo. Como se muestra en la Figura 1 (b), el EAM de GeSi presenta un amplio ancho de banda electroóptico. La Figura 1 (b) midió el parámetro S21 de una estructura de prueba de un único EAM de GeSi utilizando un analizador de componentes ópticos (LCA) de 67 GHz. Las Figuras 1 (c) y 1 (d) representan, respectivamente, los espectros de la relación de extinción estática (ER) a diferentes voltajes de CC y la transmisión a una longitud de onda de 1555 nanómetros.
Como se muestra en la Figura 1 (e), la característica principal de este diseño es la capacidad de suprimir las portadoras ópticas mediante el ajuste del desfasador integrado en el brazo central. La diferencia de fase entre los brazos superior e inferior es de π/2, lo que se utiliza para la sintonización compleja, mientras que la diferencia de fase entre el brazo central es de -3 π/4. Esta configuración permite la interferencia destructiva en la portadora, como se muestra en el plano complejo de la Figura 1 (f).
Configuración experimental y resultados
La configuración experimental de alta velocidad se muestra en la Figura 2 (a). Se utiliza un generador de formas de onda arbitrarias (Keysight M8194A) como fuente de señal, y dos amplificadores de RF de 60 GHz con adaptación de fase (con conectores T de polarización integrados) se utilizan como controladores del modulador. La tensión de polarización del EAM de GeSi es de -2,5 V, y se utiliza un cable de RF con adaptación de fase para minimizar el desajuste de fase eléctrica entre los canales I y Q.
Figura 2: (a) Configuración experimental de alta velocidad, (b) Supresión de portadora a 70 Gbaud, (c) Tasa de error y velocidad de datos, (d) Constelación a 70 Gbaud. Se utiliza un láser de cavidad externa (ECL) comercial con un ancho de línea de 100 kHz, una longitud de onda de 1555 nm y una potencia de 12 dBm como portadora óptica. Tras la modulación, la señal óptica se amplifica mediante unamplificador de fibra dopada con erbio(EDFA) para compensar las pérdidas de acoplamiento en el chip y las pérdidas de inserción del modulador.
En el extremo receptor, un analizador de espectro óptico (OSA) monitorea el espectro de la señal y la supresión de portadora, como se muestra en la Figura 2 (b) para una señal de 70 Gbaud. Para recibir las señales, se utiliza un receptor coherente de doble polarización, que consta de un mezclador óptico de 90 grados y cuatro...Fotodiodos balanceados de 40 GHzy está conectado a un osciloscopio en tiempo real (RTO) de 33 GHz y 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). La segunda fuente ECL, con un ancho de línea de 100 kHz, se utiliza como oscilador local (LO). Debido a que el transmisor opera en condiciones de polarización simple, solo se utilizan dos canales electrónicos para la conversión de analógico a digital (ADC). Los datos se registran en el RTO y se procesan mediante un procesador de señales digitales (DSP) fuera de línea.
Como se muestra en la Figura 2 (c), el modulador IQ se probó utilizando el formato de modulación QPSK de 40 a 75 Gbaud. Los resultados indican que, con una corrección de errores hacia adelante de decisión dura (HD-FEC) del 7 %, la velocidad puede alcanzar los 140 Gb/s; con una corrección de errores hacia adelante de decisión suave (SD-FEC) del 20 %, la velocidad puede alcanzar los 150 Gb/s. El diagrama de constelación a 70 Gbaud se muestra en la Figura 2 (d). El resultado está limitado por el ancho de banda del osciloscopio de 33 GHz, que equivale a un ancho de banda de señal de aproximadamente 66 Gbaud.

Como se muestra en la Figura 2 (b), la estructura de tres brazos puede suprimir eficazmente las portadoras ópticas con una tasa de supresión superior a 30 dB. Esta estructura no requiere la supresión completa de la portadora y también puede utilizarse en receptores que requieren tonos de portadora para recuperar señales, como los receptores Kramer Kronig (KK). La portadora puede ajustarse mediante un desfasador de brazo central para lograr la relación portadora/banda lateral (CSR) deseada.
Ventajas y aplicaciones
En comparación con los moduladores Mach Zehnder tradicionales (Moduladores MZM) y otros moduladores de CI optoelectrónicos basados ​​en silicio, el modulador de CI de silicio propuesto presenta múltiples ventajas. En primer lugar, es compacto, más de 10 veces más pequeño que los moduladores de CI basados ​​en...Moduladores Mach Zehnder(excluyendo las almohadillas de unión), lo que aumenta la densidad de integración y reduce el área del chip. En segundo lugar, el diseño de electrodos apilados no requiere el uso de resistencias terminales, lo que reduce la capacitancia del dispositivo y la energía por bit. En tercer lugar, la capacidad de supresión de portadora maximiza la reducción de la potencia de transmisión, mejorando aún más la eficiencia energética.
Además, el ancho de banda óptico de GeSi EAM es muy amplio (más de 30 nanómetros), lo que elimina la necesidad de circuitos de control de retroalimentación multicanal y procesadores para estabilizar y sincronizar la resonancia de los moduladores de microondas (MRM), simplificando así el diseño.
Este modulador IQ compacto y eficiente es muy adecuado para transceptores coherentes pequeños, de gran cantidad de canales y de próxima generación en centros de datos, lo que permite una comunicación óptica de mayor capacidad y mayor eficiencia energética.
El modulador IQ de silicio con supresión de portadora presenta un excelente rendimiento, con una velocidad de transmisión de datos de hasta 150 Gb/s en condiciones SD-FEC del 20%. Su estructura compacta de 3 brazos, basada en GeSi EAM, ofrece importantes ventajas en cuanto a tamaño, eficiencia energética y simplicidad de diseño. Este modulador puede suprimir o ajustar la portadora óptica y puede integrarse con sistemas de detección coherente y detección Kramer-Kronig (KK) para transceptores coherentes compactos multilínea. Los logros demostrados impulsan la creación de transceptores ópticos altamente integrados y eficientes para satisfacer la creciente demanda de comunicación de datos de alta capacidad en centros de datos y otros campos.