Quang điện tử dựa trên silicon nhỏ gọnbộ điều biến IQcho truyền thông mạch lạc tốc độ cao
Nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và các 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 cao.bộ 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 con chip duy nhất, tạo ra 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 tới 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 trong Hình 1 (a). Bao 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 cách tử (GC) và được chia đều thành ba đường 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 và sau đó được ghép với sợi quang đơn mode (SSMF).
Hình 1: (a) Ảnh hiển vi của bộ điều biến IQ; (b) – (d) EO S21, phổ tỷ lệ tuyệt chủng và độ truyền qua của một GeSi EAM; ( e ) Sơ đồ nguyên lý của 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 được hiển thị trong Hình 1 (b), GeSi EAM có băng thông quang điện rộng. Hình 1 (b) đã đo tham số S21 của cấu trúc thử nghiệm GeSi EAM duy nhất bằng máy phân tích thành phần quang học (LCA) 67 GHz. Hình 1 (c) và 1 (d) lần lượt mô tả phổ tỷ lệ tuyệt chủng tĩnh (ER) ở các điện áp DC khác nhau và sự truyền dẫn ở bước sóng 1555 nanomet.
Như được hiển thị trong Hình 1 (e), tính năng chính của thiết kế này là khả năng triệt tiêu các sóng mang quang bằng cách điều chỉnh bộ dịch pha tích hợp ở tay giữa. Độ lệch pha giữa nhánh trên và nhánh dưới là π/2, được sử dụng để điều chỉnh phức tạp, trong khi độ lệch pha giữa nhánh giữa là -3 π/4. Cấu hình này cho phép gây nhiễu triệt tiêu sóng mang, như thể hiện trong mặt phẳng phức của Hình 1 (f).
Thiết lập thử nghiệm và kết quả
Thiết lập thử nghiệm tốc độ cao được hiển thị trong Hình 2 (a). Một bộ tạo dạng sóng tùy ý (Keysight M8194A) được sử dụng làm nguồn tín hiệu và hai bộ khuếch đại RF khớp pha 60 GHz (có các ống 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 khớp pha được sử dụng để giảm thiểu tình trạng lệch pha điện giữa các kênh I và Q.
Hình 2: (a) Thiết lập thử nghiệm tốc độ cao, (b) Ngăn chặn 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 băng thông 100 kHz, bước sóng 1555 nm và công suất 12 dBm làm sóng mang quang. Sau khi điều chế, tín hiệu quang được khuếch đại bằng bộbộ khuếch đại sợi pha tạp erbium(EDFA) để bù cho tổn hao ghép trên chip và tổn hao chèn bộ điều biến.
Ở đầu nhận, Máy phân tích quang phổ quang học (OSA) giám sát phổ tín hiệu và triệt tiêu sóng mang, như trong Hình 2 (b) đối với tín hiệu 70 Gbaud. Sử dụng bộ thu kết hợp phân cực kép để nhận tín hiệu, bao gồm bộ trộn quang 90 độ và bốnĐiốt quang cân bằng 40 GHzvà được kết nối với máy hiện sóng thời gian thực (RTO) 33 GHz, 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A). Nguồn ECL thứ hai có băng thông 100 kHz được sử dụng làm bộ tạo dao động cục bộ (LO). Do máy phát hoạt động trong điều kiện phân cực đơn nên chỉ có hai kênh điện tử được sử dụng để chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Dữ liệu được ghi trên RTO và được xử lý bằng bộ xử lý tín hiệu số ngoại tuyến (DSP).
Như được hiển thị trong Hình 2 (c), bộ điều biến IQ đã được kiểm tra bằng định dạng điều chế QPSK từ 40 Gbaud đến 75 Gbaud. Kết quả chỉ ra rằng trong điều kiện sửa lỗi chuyển tiếp quyết định cứng (HD-FEC) 7%, tốc độ có thể đạt tới 140 Gb/s; Trong điều kiện sửa lỗi chuyển tiếp quyết định mềm 20% (SD-FEC), tốc độ có thể đạt tới 150 Gb/s. Sơ đồ chòm sao ở 70 Gbaud được hiển thị 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 được hiển thị trong Hình 2 (b), cấu trúc ba cánh tay có thể triệt tiêu hiệu quả các sóng mang quang với tốc độ 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 yêu cầu âm 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 và dải biên (CSR) mong muốn.
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. Thứ nhất, nó có kích thước nhỏ gọn, nhỏ hơn 10 lần so với bộ điều biến IQ dựa trênBộ điều biến Mach Zehnder(không bao gồm các miếng liên kết), do đó làm 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 làm giảm điện dung và năng lượng trên mỗi bit của thiết bị. Thứ ba, khả năng triệt tiêu sóng mang giúp tối đa hóa việc giảm công suất truyền tải, nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng năng lượng.
Ngoài ra, băng thông quang của GeSi EAM rất rộng (trên 30 nanomet), loại bỏ nhu cầu về mạch điều khiển phản hồi đa kênh và bộ xử lý để ổn định và đồng bộ hóa sự cộng hưởng của bộ điều biến vi sóng (MRM), từ đó đơn giản hóa thiết kế.
Bộ điều biến IQ nhỏ gọn và hiệu quả này rất phù hợp cho các bộ thu phát kết hợp nhỏ, số lượng kênh cao và thế hệ tiếp theo trong các trung tâm dữ liệu, cho phép truyền thông quang học có công suất cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Bộ điều biến IQ silicon triệt tiêu sóng mang thể hiện hiệu suất tuyệt vời, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 150 Gb/s trong điều kiện 20% SD-FEC. Cấu trúc 3 cánh tay nhỏ gọn dựa trên GeSi EAM có những lợi thế đáng kể về diện tích sử dụng, hiệu quả sử dụng năng lượng và tính đơn giản trong thiết kế. Bộ điều biến này có khả năng triệt tiêu hoặc điều chỉnh sóng mang quang và có thể được tích hợp với sơ đồ phát hiện kết hợp và phát hiện Kramer Kronig (KK) cho các bộ thu phát kết hợp nhỏ gọn nhiều dòng. Những thành tựu đã được chứng minh đã thúc đẩy việc hiện thực hóa các bộ thu phát quang hiệu quả và tích hợp cao nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về truyền thông dữ liệu dung lượng cao trong các trung tâm dữ liệu và các lĩnh vực khác.
Thời gian đăng: Jan-21-2025