Quang điện tử nhỏ gọn dựa trên siliconBộ điều biến 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 họcCông nghệ quang điện tử dựa trên silicon (SiPh) đã trở thành một nền tảng đầy hứa hẹn để tích hợp nhiều linh kiện quang tử khác nhau vào 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 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 nhánh nhỏ gọn, như thể hiện trong Hình 1 (a). Nó bao gồm ba GeSi EAM và ba bộ dịch pha quang nhiệt, sử dụng cấu hình đối xứng. Ánh sáng đầu vào được ghép nối vào chip thông qua bộ ghép lưới (GC) và được chia đều thành ba đường dẫn thông qua giao thoa kế đa mode (MMI) 1×3. 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 nối với sợi quang đơn mode (SSMF).
Hình 1: (a) Ảnh hiển vi của bộ điều biến IQ; (b) – (d) EO S21, phổ tỷ lệ tiêu tán và độ truyền qua của một GeSi EAM đơn lẻ; (e) Sơ đồ bộ điều biến IQ và pha quang học 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 tán tĩnh (ER) ở các điện áp DC khác nhau và độ truyền qua ở bước sóng 1555 nanomet.
Như thể hiện trong Hình 1 (e), đặc điểm chính của thiết kế này là khả năng triệt tiêu sóng mang quang học bằng cách điều chỉnh bộ dịch pha tích hợp ở nhánh giữa. Độ lệch pha giữa nhánh trên và nhánh dưới là π/2, được sử dụng cho điều chỉnh phức tạp, trong khi độ lệch pha giữa nhánh giữa là -3 π/4. Cấu hình này cho phép 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 thể hiện 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 60 GHz (có tích hợp các tee phân cực) được sử dụng làm trình điều khiển bộ điều biến. Điện áp phân cực của GeSi EAM là -2,5 V, và cáp RF phân cực được sử dụng để giảm thiểu sự lệch pha điện giữa các kênh I và Q.
Hình 2: (a) Thiết lập thử nghiệm tốc độ cao, (b) Triệt tiêu 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 (ECL) thương mại với độ rộng vạch phổ 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 bộ khuếch đạibộ 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 thu, một Máy phân tích phổ quang học (OSA) sẽ 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 bộ thu kết hợp phân cực kép để thu tín hiệu, bao gồm một bộ trộn quang học 90 độ và bốnĐiốt quang cân bằng 40 GHzvà được kết nối với máy hiện sóng thời gian thực (RTO) 33 GHz, 80 GSa/giây (Keysight DSOZ634A). Nguồn ECL thứ hai với độ rộng vạch phổ 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 cho 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 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 (HD-FEC) 7%, tốc độ có thể đạt 140 Gb/giây; trong điều kiện hiệu chỉnh lỗi quyết định mềm (SD-FEC) 20%, tốc độ có thể đạt 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 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 cánh tay có thể triệt tiêu hiệu quả các sóng mang quang 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 tín hiệu 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 (CSR) mong muốn.
Ưu điểm và ứng dụng
So với các 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 các bộ điều biến IQ dựa trênBộ điều biến Mach Zehnder(không bao gồm 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 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 dẫn, từ đó cải thiện hiệu suất 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, số lượng kênh lớn và nhỏ gọn trong các trung tâm dữ liệu, cho phép truyền thông quang học có 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/giây trong điều kiện SD-FEC 20%. Cấu trúc 3 nhánh nhỏ gọn dựa trên GeSi EAM của nó có những ưu điểm đáng kể về diện tích sử dụng, hiệu quả năng lượng và thiết kế đơn giản. 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 nhỏ gọn đa đường. 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 dữ liệu dung lượng lớn trong các trung tâm dữ liệu và các lĩnh vực khác.
Thời gian đăng: 21-01-2025