Thiết bị quang điện tử nhỏ gọn dựa trên siliconBộ điều chỉnh IQđể liên lạc tốc độ cao và đồng bộ
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 thu phát hiệu năng cao, nhỏ gọn.bộ điều biến quang họcCông 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 lên một chip duy nhất, cho phép tạo ra các giải pháp nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí. Bài viết này sẽ khám phá một bộ điều biến IQ silicon triệt tiêu 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 nhánh nhỏ gọn, như thể hiện trong Hình 1 (a). Bao gồm ba bộ ghép kênh GeSi EAM và ba bộ dịch pha nhiệt quang, 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 bộ giao thoa 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 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 triệt tiêu và độ truyền dẫn của một EAM GeSi đơn lẻ; (e) Sơ đồ cấu trúc của bộ điều biến IQ và pha quang học tương ứng của bộ dịch pha; (f) Biểu diễn sự triệt tiêu sóng mang trên mặt phẳng phức. Như thể hiện trong Hình 1 (b), EAM GeSi có băng thông điện quang rộng. Hình 1 (b) đo tham số S21 của cấu trúc thử nghiệm EAM GeSi 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 triệt tiêu tĩnh (ER) ở các điện áp DC khác nhau và độ truyền dẫn ở bước sóng 1555 nanomet.
Như thể hiện trong Hình 1 (e), đặc điểm chính của thiết kế này là khả năng triệt tiêu các sóng mang quang bằng cách điều chỉnh bộ dịch pha tích hợp trong nhánh giữa. Sự khác biệt pha giữa nhánh trên và nhánh dưới là π/2, được sử dụng để điều chỉnh phức, trong khi sự khác biệt pha giữa nhánh giữa là -3 π/4. Cấu hình này cho phép giao thoa triệt tiêu sóng mang, như thể hiện trong mặt phẳng phức của Hình 1 (f).
Thiết lập thí nghiệm và kết quả
Sơ đồ thiết lập thí nghiệm tốc độ cao được thể hiện trong Hình 2 (a). Một máy tạo dạng sóng tùy ý (Keysight M8194A) được sử dụng làm nguồn tín hiệu, và hai bộ khuếch đại RF phối hợp pha 60 GHz (với các bộ phân cực tích hợp) được sử dụng làm bộ điều khiển điều biến. Điện áp phân cực của GeSi EAM là -2,5 V, và một cáp RF phối hợp pha được sử dụng để giảm thiểu sự không khớp pha điện giữa các kênh I và Q.
Hình 2: (a) Thiết lập thí nghiệm tốc độ cao, (b) Sự triệt tiêu sóng mang ở tốc độ 70 Gbaud, (c) Tỷ lệ lỗi và tốc độ dữ liệu, (d) Cấu hình chòm sao ở tốc độ 70 Gbaud. Sử dụng laser khoang ngoài (ECL) thương mại có độ rộng vạch 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 cách sử dụng một...bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium(EDFA) để bù đắp tổn thất ghép nối trên chip và tổn thất chèn của bộ điều biến.
Ở đầu thu, một máy phân tích phổ quang (OSA) giám sát phổ tín hiệu và sự triệt tiêu sóng mang, như thể hiện trong Hình 2 (b) đối với tín hiệu 70 Gbaud. Sử dụng bộ thu tín hiệu đồng bộ phân cực kép để thu tín hiệu, bao gồm một 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 với độ rộng vạch 100 kHz được sử dụng làm bộ dao động cục bộ (LO). Do bộ phát hoạt động trong điều kiện phân cực đơn, chỉ có hai kênh điện tử được sử dụng để chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Dữ liệu được ghi lại trên RTO và được xử lý bằng bộ xử lý tín hiệu số (DSP) ngoại tuyến.
Như thể hiện trong Hình 2 (c), bộ điều biến IQ đã được thử nghiệm bằng định dạng điều chế QPSK từ 40 Gbaud đến 75 Gbaud. Kết quả cho thấy rằng trong điều kiện sửa lỗi tiến quyết định cứng 7% (HD-FEC), tốc độ có thể đạt 140 Gb/s; trong điều kiện sửa lỗi tiến quyết định mềm 20% (SD-FEC), tốc độ có thể đạt 150 Gb/s. Sơ đồ chòm sao ở 70 Gbaud được thể hiện trong Hình 2 (d). Kết quả bị giới hạn bởi băng thông của máy hiện sóng là 33 GHz, tương đương với băng thông tín hiệu khoảng 66 Gbaud.
Như thể hiện trong Hình 2 (b), cấu trúc ba nhánh có thể triệt tiêu hiệu quả các sóng mang quang với tỷ lệ làm trống 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 bộ thu yêu cầu tín hiệu sóng mang để khôi phục tín hiệu, chẳng hạn như bộ thu Kramer Kronig (KK). Sóng mang có thể được điều chỉnh thông qua bộ dịch pha nhánh trung tâm để đạt được tỷ lệ sóng mang trên băng tần biên (CSR) mong muốn.
Ưu điểm và ứng dụng
So với bộ điều biến Mach Zehnder truyền thống (Bộ điều biến MZMSo với 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 hơn 10 lần so với các bộ điều biến IQ dựa trên silicon.Bộ điều biến Mach Zehnder(không bao gồm các điểm tiếp xúc), 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 giảm điện dung của thiết bị và năng lượng tiêu thụ trên mỗi bit. Thứ ba, khả năng triệt tiêu sóng mang giúp tối đa hóa việc giảm công suất truyền dẫn, từ đó cải thiện hơn nữa hiệu quả năng lượng.
Ngoài ra, băng thông quang học của GeSi EAM rất rộng (hơn 30 nanomet), loại bỏ nhu cầu về các mạch điều khiển phản hồi đa kênh và bộ xử lý để ổn định và đồng bộ hóa cộng hưởng của các 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 bộ thu phát quang đồng bộ thế hệ mới, số lượng kênh cao và kích thước nhỏ trong các trung tâm dữ liệu, cho phép truyền thông quang học dung lượng 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 đến 150 Gb/s trong điều kiện SD-FEC 20%. Cấu trúc 3 nhánh nhỏ gọn dựa trên GeSi EAM mang lại những ưu điểm đáng kể về kích thước, hiệu quả năng lượng và sự 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 các sơ đồ phát hiện đồng bộ và phát hiện Kramer-Kronig (KK) cho các bộ thu phát đồng bộ đa dòng nhỏ gọn. Những thành tựu đã được chứng minh thúc đẩy việc hiện thực hóa các bộ thu phát quang tích hợp cao và hiệu quả để 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 bài: 21/01/2025