برای ارتباطات منسجم با سرعت بالا، مدولاتور IQ اپتوالکترونیک فشرده مبتنی بر سیلیکون

اپتوالکترونیک فشرده مبتنی بر سیلیکونتعدیل کننده IQبرای ارتباط منسجم با سرعت بالا
تقاضای فزاینده برای نرخ های انتقال داده بالاتر و فرستنده و گیرنده های با انرژی کارآمدتر در مراکز داده، توسعه فشرده با کارایی بالا را هدایت کرده است.تعدیل کننده های نوری. فناوری اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون (SiPh) به یک پلتفرم امیدوارکننده برای ادغام اجزای مختلف فوتونیک روی یک تراشه تبدیل شده است که راه‌حل‌های فشرده و مقرون به صرفه را ممکن می‌سازد. این مقاله به بررسی یک مدولاتور جدید IQ سیلیکونی سرکوب شده بر اساس GeSi EAMs می‌پردازد که می‌تواند با فرکانس حداکثر 75 گیگاباد کار کند.
طراحی و ویژگی های دستگاه
مدولاتور ضریب هوشی پیشنهادی از ساختار سه بازوی فشرده استفاده می کند، همانطور که در شکل 1 (الف) نشان داده شده است. متشکل از سه GeSi EAM و سه شیفتر فاز حرارتی نوری، که یک پیکربندی متقارن را اتخاذ می کند. نور ورودی از طریق یک جفت گریتینگ (GC) به تراشه کوپل می شود و به طور مساوی از طریق یک تداخل سنج چند حالته 1×3 (MMI) به سه مسیر تقسیم می شود. نور پس از عبور از مدولاتور و شیفتر فاز، توسط MMI 1×3 دیگر ترکیب شده و سپس به فیبر تک حالته (SSMF) کوپل می شود.

شکل 1: (الف) تصویر میکروسکوپی تعدیل کننده IQ. (ب) - (د) EO S21، طیف نسبت انقراض، و انتقال یک EAM واحد GeSi. (ه) نمودار شماتیک تعدیل کننده ضریب هوشی و فاز نوری مربوط به تغییر فاز. (f) نمایش سرکوب حامل در صفحه مختلط. همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است، GeSi EAM دارای پهنای باند الکترواپتیک وسیعی است. شکل 1 (ب) پارامتر S21 یک ساختار تست GeSi EAM را با استفاده از یک تحلیلگر اجزای نوری 67 گیگاهرتز (LCA) اندازه گیری کرد. شکل های 1 (c) و 1 (d) به ترتیب طیف های نسبت خاموشی استاتیکی (ER) را در ولتاژهای DC مختلف و انتقال در طول موج 1555 نانومتر را نشان می دهند.
همانطور که در شکل 1 (ه) نشان داده شده است، ویژگی اصلی این طرح، توانایی سرکوب حامل های نوری با تنظیم شیفتر فاز یکپارچه در بازوی میانی است. اختلاف فاز بین بازوهای بالایی و پایینی π/2 است که برای تنظیم پیچیده استفاده می شود، در حالی که اختلاف فاز بین بازوی میانی -3 π/4 است. این پیکربندی، همانطور که در صفحه مختلط شکل 1 (f) نشان داده شده است، اجازه تداخل مخرب به حامل را می دهد.
تنظیمات و نتایج آزمایشی
راه اندازی آزمایشی با سرعت بالا در شکل 2 (الف) نشان داده شده است. یک مولد شکل موج دلخواه (Keysight M8194A) به عنوان منبع سیگنال استفاده می شود و دو تقویت کننده RF منطبق با فاز 60 گیگاهرتز (با تی بایاس یکپارچه) به عنوان درایورهای مدولاتور استفاده می شوند. ولتاژ بایاس GeSi EAM 2.5- ولت است و از کابل RF منطبق با فاز برای به حداقل رساندن عدم تطابق فاز الکتریکی بین کانال های I و Q استفاده می شود.
شکل 2: (الف) تنظیم آزمایشی با سرعت بالا، (ب) سرکوب حامل در 70 گیگاباد، (ج) نرخ خطا و نرخ داده، (د) صورت فلکی در 70 گیگاباد. از یک لیزر حفره خارجی تجاری (ECL) با پهنای خط 100 کیلوهرتز، طول موج 1555 نانومتر و توان 12 دسی بل متر به عنوان حامل نوری استفاده کنید. پس از مدولاسیون، سیگنال نوری با استفاده از یک تقویت می شودتقویت کننده فیبر دوپ شده با اربیوم(EDFA) برای جبران تلفات کوپلینگ روی تراشه و تلفات درج تعدیل کننده.
در انتهای دریافت، یک آنالایزر طیف نوری (OSA) طیف سیگنال و سرکوب حامل را نظارت می کند، همانطور که در شکل 2 (ب) برای سیگنال 70 گیگابود نشان داده شده است. از یک گیرنده منسجم دو قطبی برای دریافت سیگنال استفاده کنید که از یک میکسر نوری 90 درجه و چهارفتودیودهای متعادل با فرکانس 40 گیگاهرتزو به یک اسیلوسکوپ بیدرنگ 33 گیگاهرتز، 80 GSa/s (RTO) (Keysight DSOZ634A) متصل است. منبع دوم ECL با پهنای خط 100 کیلوهرتز به عنوان یک نوسان ساز محلی (LO) استفاده می شود. با توجه به عملکرد فرستنده در شرایط تک قطبی، تنها از دو کانال الکترونیکی برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC) استفاده می شود. داده ها در RTO ثبت شده و با استفاده از یک پردازنده سیگنال دیجیتال آفلاین (DSP) پردازش می شوند.
همانطور که در شکل 2 (ج) نشان داده شده است، مدولاتور IQ با استفاده از فرمت مدولاسیون QPSK از 40 Gbaud تا 75 Gbaud آزمایش شد. نتایج نشان می دهد که تحت شرایط 7% تصحیح خطای تصمیم گیری سخت (HD-FEC)، نرخ می تواند به 140 گیگابیت بر ثانیه برسد. تحت شرایط 20% تصحیح خطای پیشرو تصمیم گیری نرم (SD-FEC)، سرعت می تواند به 150 گیگابیت بر ثانیه برسد. نمودار صورت فلکی در 70 Gbaud در شکل 2 (د) نشان داده شده است. نتیجه با پهنای باند اسیلوسکوپ 33 گیگاهرتز محدود می شود که معادل پهنای باند سیگنال تقریباً 66 Gbaud است.

همانطور که در شکل 2 (ب) نشان داده شده است، ساختار سه بازویی می تواند به طور موثر حامل های نوری را با نرخ خالی شدن بیش از 30 دسی بل سرکوب کند. این ساختار نیازی به سرکوب کامل حامل ندارد و همچنین می تواند در گیرنده هایی که برای بازیابی سیگنال ها به زنگ های حامل نیاز دارند مانند گیرنده های Kramer Kronig (KK) استفاده شود. حامل را می توان از طریق یک شیفتر بازوی مرکزی تنظیم کرد تا به نسبت حامل به باند جانبی مورد نظر (CSR) دست یابد.
مزایا و کاربردها
در مقایسه با مدولاتورهای سنتی Mach Zehnder (تعدیل کننده های MZM) و دیگر تعدیل‌کننده‌های IQ اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون، مدولاتور IQ سیلیکونی پیشنهادی دارای مزایای متعددی است. اولاً، اندازه آن جمع و جور است، بیش از 10 برابر کوچکتر از تعدیل کننده های IQ بر اساسمدولاتورهای Mach Zehnder(به استثنای پدهای باندینگ)، بنابراین تراکم یکپارچه سازی افزایش می یابد و سطح تراشه کاهش می یابد. ثانیا، طراحی الکترود انباشته نیازی به استفاده از مقاومت های ترمینال ندارد، در نتیجه ظرفیت دستگاه و انرژی در هر بیت کاهش می یابد. ثالثاً، قابلیت سرکوب حامل، کاهش توان انتقال را به حداکثر می‌رساند و بازده انرژی را بهبود می‌بخشد.
علاوه بر این، پهنای باند نوری GeSi EAM بسیار وسیع است (بیش از 30 نانومتر)، که نیاز به مدارهای کنترل بازخورد چند کاناله و پردازنده‌ها را برای تثبیت و همگام‌سازی رزونانس تعدیل‌کننده‌های مایکروویو (MRM) از بین می‌برد و در نتیجه طراحی را ساده می‌کند.
این مدولاتور ضریب هوشی فشرده و کارآمد برای نسل بعدی، تعداد کانال های بالا و فرستنده گیرنده های کوچک منسجم در مراکز داده بسیار مناسب است، که ظرفیت بالاتر و ارتباطات نوری با انرژی کارآمدتر را امکان پذیر می کند.
مدولاتور IQ سیلیکونی سرکوب شده دارای عملکرد عالی با نرخ انتقال داده تا 150 گیگابیت بر ثانیه تحت شرایط SD-FEC 20٪ است. ساختار جمع و جور 3 بازوی آن بر اساس GeSi EAM دارای مزایای قابل توجهی از نظر ردپا، بهره وری انرژی و سادگی طراحی است. این مدولاتور توانایی سرکوب یا تنظیم حامل نوری را دارد و می‌تواند با طرح‌های تشخیص منسجم و تشخیص Kramer Kronig (KK) برای فرستنده‌های گیرنده منسجم فشرده چند خطی ادغام شود. دستاوردهای نشان‌داده‌شده باعث تحقق فرستنده‌های نوری بسیار یکپارچه و کارآمد برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد برای ارتباطات داده با ظرفیت بالا در مراکز داده و سایر زمینه‌ها می‌شود.