optoelectrónica compacta basada en siliciomodulador de CIpara 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 dispositivos compactos de alto rendimiento.moduladores ópticosLa tecnología optoelectrónica basada en silicio (SiPh) se ha consolidado como una plataforma prometedora para la integración de diversos componentes fotónicos en un único chip, lo que permite obtener soluciones compactas y rentables. Este artículo explora un novedoso modulador IQ de silicio con supresión de portadores, basado en EAM de GeSi, capaz de 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 moduladores electromagnéticos de GeSi y tres desfasadores termoópticos, con una configuración simétrica. La luz de entrada se acopla al chip mediante un acoplador de rejilla (GC) y se divide uniformemente en tres trayectorias a través de un interferómetro multimodo (MMI) de 1×3. Tras pasar por el modulador y el desfasador, la luz se recombina mediante otro MMI de 1×3 y se acopla a una fibra monomodo (SSMF).
Figura 1: (a) Imagen microscópica del modulador IQ; (b) – (d) EO S21, espectro de relación de extinción y transmitancia de un único EAM de GeSi; (e) Diagrama esquemático del modulador IQ y fase óptica correspondiente del desplazador de fase; (f) Representación de la supresión de portadora en el plano complejo. Como se muestra en la Figura 1 (b), el EAM de GeSi tiene un ancho de banda electroóptico amplio. La Figura 1 (b) midió el parámetro S21 de una única estructura de prueba de 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 relación de extinción (ER) estáticos 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 portadoras ópticas ajustando el desfasador integrado en el brazo central. La diferencia de fase entre los brazos superior e inferior es de π/2, utilizada para la sintonización compleja, mientras que la diferencia de fase entre el brazo central es de -3π/4. Esta configuración permite la interferencia destructiva de 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 forma de onda arbitraria (Keysight M8194A) como fuente de señal, y dos amplificadores de RF de 60 GHz con adaptación de fase (con divisores de polarización integrados) como controladores del modulador. La tensión de polarización del GeSi EAM 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. Después de la modulación, la señal óptica se amplifica utilizando 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) monitoriza el espectro de la señal y la supresión de la portadora, como se muestra en la Figura 2 (b) para una señal de 70 Gbaud. Utilice un receptor coherente de doble polarización para recibir señales, que consta de un mezclador óptico de 90 grados y cuatrofotodiodos 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 bajo condiciones de polarización única, solo se utilizan dos canales electrónicos para la conversión analógica-digital (ADC). Los datos se registran en el RTO y se procesan mediante un procesador de señal digital (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 Gbaud a 75 Gbaud. Los resultados indican que, bajo condiciones de corrección de errores hacia adelante de decisión dura (HD-FEC) del 7 %, la velocidad puede alcanzar los 140 Gb/s; bajo condiciones de 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 portadores para recuperar señales, como los receptores Kramer-Kronig (KK). La portadora se puede ajustar mediante un desfasador en el 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 IQ optoelectrónicos basados en silicio, el modulador IQ de silicio propuesto tiene múltiples ventajas. En primer lugar, es de tamaño compacto, más de 10 veces más pequeño que los moduladores IQ basados enModuladores Mach-Zehnder(excluyendo las almohadillas de conexión), 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 portadores maximiza la reducción de la potencia de transmisión, mejorando aún más la eficiencia energética.
Además, el ancho de banda óptico del 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 número de canales y de próxima generación en centros de datos, lo que permite una comunicación óptica de mayor capacidad y más eficiente energéticamente.
El modulador IQ de silicio con supresión de portadora ofrece un rendimiento excelente, con una velocidad de transmisión de datos de hasta 150 Gb/s en condiciones SD-FEC del 20 %. Su estructura compacta de tres brazos, basada en GeSi EAM, presenta ventajas significativas en cuanto a tamaño, eficiencia energética y simplicidad de diseño. Este modulador permite suprimir o ajustar la portadora óptica y puede integrarse con esquemas de detección coherente y de Kramer-Kronig (KK) para transceptores coherentes compactos multilínea. Los logros demostrados impulsan el desarrollo 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 sectores.
Fecha de publicación: 21 de enero de 2025