Quang điện tử nhỏ gọn dựa trên siliconBộ điều chỉnh IQcho giao tiếp mạch lạc tốc độ cao
Nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và bộ thu phát tiết kiệm năng lượng hơn trong các trung tâm dữ liệu đã thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị nhỏ gọn hiệu suất caobộ điều biến quang học. Công nghệ quang điện tử dựa trên silicon (SiPh) đã trở thành một nền tảng đầy hứa hẹn để tích hợp nhiều thành phần quang tử khác nhau vào một chip duy nhất, cho phép các giải pháp nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí. Bài viết này sẽ khám phá một bộ điều biến IQ silicon ức chế sóng mang mới dựa trên GeSi EAM, có thể hoạt động ở tần số lên đến 75 Gbaud.
Thiết kế và đặc điểm của thiết bị
Bộ điều biến IQ được đề xuất sử dụng cấu trúc ba cánh tay nhỏ gọn, như thể hiện trong Hình 1 (a). Gồm ba GeSi EAM và ba bộ dịch pha quang nhiệt, sử dụng cấu hình đối xứng. Ánh sáng đầu vào được ghép vào chip thông qua bộ ghép lưới (GC) và được chia đều thành ba đường dẫn thông qua giao thoa kế đa chế độ 1×3 (MMI). Sau khi đi qua bộ điều biến và bộ dịch pha, ánh sáng được kết hợp lại bởi một MMI 1×3 khác rồi được ghép vào sợi quang đơn chế độ (SSMF).
Hình 1: (a) Hình ảnh hiển vi của bộ điều biến IQ; (b) – (d) EO S21, phổ tỷ lệ tiêu biến và độ truyền của một GeSi EAM đơn lẻ; (e) Sơ đồ bộ điều biến IQ và pha quang tương ứng của bộ dịch pha; (f) Biểu diễn triệt tiêu sóng mang trên mặt phẳng phức. Như thể hiện trong Hình 1 (b), GeSi EAM có băng thông điện quang rộng. Hình 1 (b) đã đo tham số S21 của một cấu trúc thử nghiệm GeSi EAM đơn lẻ bằng máy phân tích thành phần quang học (LCA) 67 GHz. Hình 1 (c) và 1 (d) lần lượt mô tả phổ tỷ lệ tiêu biến tĩnh (ER) ở các điện áp DC khác nhau và độ truyền ở bước sóng 1555 nanomet.
Như thể hiện trong Hình 1 (e), đặc điểm chính của thiết kế này là khả năng ngăn chặn các sóng mang quang học bằng cách điều chỉnh bộ dịch pha tích hợp ở cánh tay giữa. Độ lệch pha giữa cánh tay trên và dưới là π/2, được sử dụng để điều chỉnh phức tạp, trong khi độ lệch pha giữa cánh tay giữa là -3 π/4. Cấu hình này cho phép nhiễu phá hủy sóng mang, như thể hiện trong mặt phẳng phức tạp của Hình 1 (f).
Thiết lập thử nghiệm và kết quả
Thiết lập thử nghiệm tốc độ cao được thể hiện trong Hình 2 (a). Một máy phát dạng sóng tùy ý (Keysight M8194A) được sử dụng làm nguồn tín hiệu và hai bộ khuếch đại RF pha khớp 60 GHz (có tee phân cực tích hợp) được sử dụng làm trình điều khiển bộ điều biến. Điện áp phân cực của GeSi EAM là -2,5 V và cáp RF pha khớp được sử dụng để giảm thiểu sự không khớp pha điện giữa các kênh I và Q.
Hình 2: (a) Thiết lập thử nghiệm tốc độ cao, (b) Giảm sóng mang ở 70 Gbaud, (c) Tỷ lệ lỗi và tốc độ dữ liệu, (d) Chòm sao ở 70 Gbaud. Sử dụng laser khoang ngoài thương mại (ECL) có độ rộng vạch là 100 kHz, bước sóng là 1555 nm và công suất là 12 dBm làm sóng mang quang. Sau khi điều chế, tín hiệu quang được khuếch đại bằng cách sử dụngBộ khuếch đại sợi pha tạp erbium(EDFA) để bù cho tổn thất ghép nối trên chip và tổn thất chèn bộ điều biến.
Ở đầu nhận, một Máy phân tích phổ quang học (OSA) theo dõi phổ tín hiệu và sự triệt tiêu sóng mang, như thể hiện trong Hình 2 (b) đối với tín hiệu 70 Gbaud. Sử dụng một máy thu đồng bộ phân cực kép để nhận tín hiệu, bao gồm một bộ trộn quang học 90 độ và bốnĐiốt quang cân bằng 40 GHz, và được kết nối với máy hiện sóng thời gian thực (RTO) 33 GHz, 80 GSa/giây (Keysight DSOZ634A). Nguồn ECL thứ hai có độ rộng đường truyền là 100 kHz được sử dụng làm bộ dao động cục bộ (LO). Do máy phát hoạt động trong điều kiện phân cực đơn, chỉ có hai kênh điện tử được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC). Dữ liệu được ghi lại trên RTO và được xử lý bằng bộ xử lý tín hiệu số ngoại tuyến (DSP).
Như thể hiện trong Hình 2 (c), bộ điều chế IQ đã được thử nghiệm bằng định dạng điều chế QPSK từ 40 Gbaud đến 75 Gbaud. Kết quả cho thấy trong điều kiện hiệu chỉnh lỗi quyết định cứng 7% (HD-FEC), tốc độ có thể đạt tới 140 Gb/giây; trong điều kiện hiệu chỉnh lỗi quyết định mềm 20% (SD-FEC), tốc độ có thể đạt tới 150 Gb/giây. Sơ đồ chòm sao ở 70 Gbaud được thể hiện trong Hình 2 (d). Kết quả bị giới hạn bởi băng thông dao động ký là 33 GHz, tương đương với băng thông tín hiệu khoảng 66 Gbaud.
Như thể hiện trong Hình 2 (b), cấu trúc ba cánh tay có thể triệt tiêu hiệu quả các sóng mang quang học với tỷ lệ xóa vượt quá 30 dB. Cấu trúc này không yêu cầu triệt tiêu hoàn toàn sóng mang và cũng có thể được sử dụng trong các máy thu cần tông sóng mang để khôi phục tín hiệu, chẳng hạn như máy thu Kramer Kronig (KK). Sóng mang có thể được điều chỉnh thông qua bộ dịch pha cánh tay trung tâm để đạt được tỷ lệ sóng mang trên dải biên mong muốn (CSR).
Ưu điểm và ứng dụng
So với bộ điều biến Mach Zehnder truyền thống (Bộ điều biến MZM) và các bộ điều biến IQ quang điện tử dựa trên silicon khác, bộ điều biến IQ silicon được đề xuất có nhiều ưu điểm. Đầu tiên, nó có kích thước nhỏ gọn, nhỏ hơn 10 lần so với các bộ điều biến IQ dựa trênBộ điều biến Mach Zehnder(trừ miếng đệm liên kết), do đó tăng mật độ tích hợp và giảm diện tích chip. Thứ hai, thiết kế điện cực xếp chồng không yêu cầu sử dụng điện trở đầu cuối, do đó giảm điện dung thiết bị và năng lượng trên mỗi bit. Thứ ba, khả năng triệt tiêu sóng mang tối đa hóa việc giảm công suất truyền, cải thiện hiệu quả năng lượng hơn nữa.
Ngoài ra, băng thông quang học của GeSi EAM rất rộng (trên 30 nanomet), loại bỏ nhu cầu sử dụng mạch điều khiển phản hồi đa kênh và bộ xử lý để ổn định và đồng bộ hóa cộng hưởng của bộ điều biến vi sóng (MRM), do đó đơn giản hóa thiết kế.
Bộ điều biến IQ nhỏ gọn và hiệu quả này rất phù hợp cho các máy thu phát quang thế hệ tiếp theo có số lượng kênh lớn và nhỏ gọn trong các trung tâm dữ liệu, cho phép truyền thông quang có dung lượng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Bộ điều biến IQ silicon ức chế sóng mang thể hiện hiệu suất tuyệt vời, với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 150 Gb/giây trong điều kiện SD-FEC 20%. Cấu trúc 3 cánh tay nhỏ gọn dựa trên GeSi EAM có những ưu điểm đáng kể về diện tích, hiệu quả năng lượng và tính đơn giản trong thiết kế. Bộ điều biến này có khả năng ức chế hoặc điều chỉnh sóng mang quang và có thể tích hợp với các sơ đồ phát hiện mạch lạc và phát hiện Kramer Kronig (KK) cho các bộ thu phát mạch lạc nhỏ gọn đa dòng. Những thành tựu đã được chứng minh thúc đẩy việc hiện thực hóa các bộ thu phát quang hiệu quả và tích hợp cao để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về truyền dữ liệu dung lượng cao trong các trung tâm dữ liệu và các lĩnh vực khác.
Thời gian đăng: 21-01-2025