اپتوالکترونیکی فشرده مبتنی بر سیلیکونتعدیل‌کننده ضریب هوشیبرای ارتباط منسجم با سرعت بالا
افزایش تقاضا برای نرخ انتقال داده بالاتر و فرستنده/گیرنده‌های کم‌مصرف‌تر در مراکز داده، توسعه‌ی تراشه‌های فشرده با کارایی بالا را به دنبال داشته است.مدولاتورهای نوریفناوری اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون (SiPh) به یک پلتفرم امیدوارکننده برای ادغام اجزای فوتونیکی مختلف روی یک تراشه واحد تبدیل شده است که امکان دستیابی به راه‌حل‌های فشرده و مقرون‌به‌صرفه را فراهم می‌کند. این مقاله به بررسی یک مدولاتور IQ سیلیکونی جدید با حذف حامل بر اساس EAMهای GeSi می‌پردازد که می‌تواند با فرکانسی تا 75 گیگابیت بر ثانیه کار کند.
طراحی و ویژگی‌های دستگاه
مدولاتور IQ پیشنهادی، همانطور که در شکل 1 (a) نشان داده شده است، از یک ساختار سه بازویی فشرده استفاده می‌کند. این مدولاتور از سه EAM GeSi و سه شیفت‌دهنده فاز ترمواپتیکی تشکیل شده است که پیکربندی متقارنی را اتخاذ می‌کنند. نور ورودی از طریق یک کوپلر توری (GC) به تراشه کوپل شده و از طریق یک تداخل‌سنج چند حالته (MMI) 1×3 به طور مساوی به سه مسیر تقسیم می‌شود. پس از عبور از مدولاتور و شیفت‌دهنده فاز، نور توسط یک MMI 1×3 دیگر دوباره ترکیب شده و سپس به یک فیبر تک حالته (SSMF) کوپل می‌شود.
شکل 1: (الف) تصویر میکروسکوپی از مدولاتور IQ؛ (ب) – (د) EO S21، طیف نسبت خاموشی و عبور یک EAM تکی GeSi؛ (ه) نمودار شماتیک مدولاتور IQ و فاز نوری مربوط به شیفت‌دهنده فاز؛ (و) نمایش سرکوب حامل در صفحه مختلط. همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است، EAM GeSi پهنای باند الکترواپتیکی وسیعی دارد. شکل 1 (ب) پارامتر S21 یک ساختار آزمایشی EAM تکی GeSi را با استفاده از یک تحلیلگر مؤلفه نوری (LCA) 67 گیگاهرتز اندازه‌گیری کرد. شکل‌های 1 (ج) و 1 (د) به ترتیب طیف‌های نسبت خاموشی استاتیک (ER) را در ولتاژهای DC مختلف و عبور در طول موج 1555 نانومتر نشان می‌دهند.
همانطور که در شکل 1 (e) نشان داده شده است، ویژگی اصلی این طراحی، توانایی سرکوب حامل‌های نوری با تنظیم شیفت‌دهنده فاز یکپارچه در بازوی میانی است. اختلاف فاز بین بازوهای بالایی و پایینی π/2 است که برای تنظیم پیچیده استفاده می‌شود، 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، امکان تداخل مخرب با حامل را فراهم می‌کند.
تنظیمات و نتایج آزمایش
تنظیمات آزمایشی پرسرعت در شکل 2 (الف) نشان داده شده است. یک مولد شکل موج دلخواه (Keysight M8194A) به عنوان منبع سیگنال استفاده می‌شود و دو تقویت‌کننده RF با فاز تطبیق‌شده 60 گیگاهرتز (با سه‌راهی بایاس یکپارچه) به عنوان درایورهای مدولاتور استفاده می‌شوند. ولتاژ بایاس GeSi EAM -2.5 ولت است و از یک کابل RF با فاز تطبیق‌یافته برای به حداقل رساندن عدم تطابق فاز الکتریکی بین کانال‌های I و Q استفاده می‌شود.
شکل 2: (الف) تنظیمات آزمایشی پرسرعت، (ب) سرکوب حامل در 70 گیگابیت بر ثانیه، (ج) نرخ خطا و نرخ داده، (د) صورت فلکی در 70 گیگابیت بر ثانیه. از یک لیزر حفره خارجی تجاری (ECL) با پهنای خط 100 کیلوهرتز، طول موج 1555 نانومتر و توان 12 دسی‌بل به عنوان حامل نوری استفاده کنید. پس از مدولاسیون، سیگنال نوری با استفاده از یک تقویت می‌شودتقویت‌کننده فیبری آلاییده با اربیوم(EDFA) برای جبران تلفات کوپلینگ روی تراشه و تلفات درج مدولاتور.
در سمت گیرنده، یک تحلیلگر طیف نوری (OSA) طیف سیگنال و سرکوب حامل را رصد می‌کند، همانطور که در شکل 2 (b) برای سیگنال 70 گیگابیت بر ثانیه نشان داده شده است. برای دریافت سیگنال‌ها از یک گیرنده منسجم با قطبش دوگانه استفاده کنید که شامل یک میکسر نوری 90 درجه و چهار ...فتودیودهای متعادل ۴۰ گیگاهرتزو به یک اسیلوسکوپ (RTO) بلادرنگ ۳۳ گیگاهرتز، ۸۰ گیگا ساسا بر ثانیه (Keysight DSOZ634A) متصل است. منبع ECL دوم با پهنای خط ۱۰۰ کیلوهرتز به عنوان یک نوسان‌ساز محلی (LO) استفاده می‌شود. به دلیل عملکرد فرستنده تحت شرایط تک قطبش، فقط از دو کانال الکترونیکی برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC) استفاده می‌شود. داده‌ها روی RTO ثبت شده و با استفاده از یک پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) آفلاین پردازش می‌شوند.
همانطور که در شکل 2 (ج) نشان داده شده است، مدولاتور IQ با استفاده از فرمت مدولاسیون QPSK از 40 گیگابیت بر ثانیه تا 75 گیگابیت بر ثانیه آزمایش شد. نتایج نشان می‌دهد که تحت شرایط 7% تصحیح خطای تصمیم‌گیری سخت (HD-FEC)، نرخ می‌تواند به 140 گیگابیت بر ثانیه برسد؛ تحت شرایط 20% تصحیح خطای تصمیم‌گیری نرم (SD-FEC)، سرعت می‌تواند به 150 گیگابیت بر ثانیه برسد. نمودار صورت فلکی در 70 گیگابیت بر ثانیه در شکل 2 (د) نشان داده شده است. نتیجه توسط پهنای باند اسیلوسکوپ 33 گیگاهرتز محدود شده است که معادل پهنای باند سیگنال تقریباً 66 گیگابیت بر ثانیه است.
همانطور که در شکل 2 (b) نشان داده شده است، ساختار سه بازو می‌تواند به طور مؤثر حامل‌های نوری را با نرخ محو شدن بیش از 30 دسی‌بل سرکوب کند. این ساختار نیازی به سرکوب کامل حامل ندارد و همچنین می‌تواند در گیرنده‌هایی که برای بازیابی سیگنال‌ها به تن‌های حامل نیاز دارند، مانند گیرنده‌های Kramer Kronig (KK)، استفاده شود. حامل را می‌توان از طریق یک شیفت‌دهنده فاز بازوی مرکزی تنظیم کرد تا به نسبت حامل به باند جانبی (CSR) مورد نظر دست یافت.
مزایا و کاربردها
در مقایسه با مدولاتورهای سنتی ماخ زندر (مدولاتورهای MZM) و سایر مدولاتورهای IQ اپتوالکترونیکی مبتنی بر سیلیکون، مدولاتور IQ سیلیکونی پیشنهادی مزایای متعددی دارد. اولاً، اندازه آن جمع و جور است، بیش از 10 برابر کوچکتر از مدولاتورهای IQ مبتنی برمدولاتورهای ماخ زندر(به استثنای پدهای اتصال)، در نتیجه تراکم ادغام افزایش و مساحت تراشه کاهش می‌یابد. ثانیاً، طراحی الکترود انباشته نیازی به استفاده از مقاومت‌های ترمینال ندارد، در نتیجه ظرفیت خازنی دستگاه و انرژی در هر بیت کاهش می‌یابد. ثالثاً، قابلیت سرکوب حامل، کاهش توان انتقال را به حداکثر می‌رساند و بهره‌وری انرژی را بیشتر بهبود می‌بخشد.
علاوه بر این، پهنای باند نوری GeSi EAM بسیار وسیع است (بیش از 30 نانومتر)، که نیاز به مدارها و پردازنده‌های کنترل فیدبک چند کاناله برای تثبیت و همگام‌سازی رزونانس مدولاتورهای مایکروویو (MRM) را از بین می‌برد و در نتیجه طراحی را ساده می‌کند.
این مدولاتور IQ جمع و جور و کارآمد برای نسل بعدی، فرستنده-گیرنده‌های منسجم کوچک و با تعداد کانال بالا در مراکز داده بسیار مناسب است و امکان ارتباط نوری با ظرفیت بالاتر و مصرف انرژی کمتر را فراهم می‌کند.
مدولاتور سیلیکونی IQ با حذف حامل، عملکرد بسیار خوبی را نشان می‌دهد و نرخ انتقال داده تا ۱۵۰ گیگابیت بر ثانیه را تحت شرایط ۲۰٪ SD-FEC ارائه می‌دهد. ساختار فشرده سه بازویی آن مبتنی بر GeSi EAM از نظر اندازه، بهره‌وری انرژی و سادگی طراحی، مزایای قابل توجهی دارد. این مدولاتور قابلیت حذف یا تنظیم حامل نوری را دارد و می‌تواند با طرح‌های تشخیص منسجم و تشخیص Kramer Kronig (KK) برای فرستنده-گیرنده‌های منسجم فشرده چند خطی ادغام شود. دستاوردهای نشان داده شده، تحقق فرستنده-گیرنده‌های نوری بسیار یکپارچه و کارآمد را برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد برای ارتباطات داده با ظرفیت بالا در مراکز داده و سایر زمینه‌ها، هدایت می‌کند.
زمان ارسال: ۲۱ ژانویه ۲۰۲۵