אופטואלקטרוניקה קומפקטית מבוססת סיליקוןמודולטור IQלתקשורת קוהרנטית במהירות גבוהה
הדרישה הגוברת לקצבי העברת נתונים גבוהים יותר ולמשדרים-מקלטים יעילים יותר באנרגיה במרכזי נתונים הובילה לפיתוח של מחשבים קומפקטיים בעלי ביצועים גבוהים.מודולטורים אופטייםטכנולוגיה אופטואלקטרונית מבוססת סיליקון (SiPh) הפכה לפלטפורמה מבטיחה לשילוב רכיבים פוטוניים שונים על גבי שבב יחיד, מה שמאפשר פתרונות קומפקטיים וחסכוניים. מאמר זה יבחן מודולטור IQ חדשני של סיליקון המונע נושאי גלים, המבוסס על רכיבי EAM של GeSi, שיכול לפעול בתדר של עד 75 ג'יגה-באוד.
עיצוב ומאפייני המכשיר
מודולטור ה-IQ המוצע מאמץ מבנה קומפקטי בעל שלוש זרועות, כפי שמוצג באיור 1 (א). מורכב משלושה מעבירי פאזה GeSi EAM ושלושה מעבירי פאזה תרמו-אופטיים, המאמצים תצורה סימטרית. אור הקלט מצומד לשבב דרך מצמד סורג (GC) ומחולק באופן שווה לשלושה נתיבים דרך אינטרפרומטר רב-מודדי (MMI) 1×3. לאחר המעבר דרך המודולטור ומעביר הפאזה, האור משולב מחדש על ידי MMI 1×3 נוסף ולאחר מכן מצומד לסיב חד-מודדי (SSMF).
איור 1: (א) תמונה מיקרוסקופית של מודולטור IQ; (ב) – (ד) EO S21, ספקטרום יחס ההכחדה והעברה של EAM GeSi יחיד; (ה) תרשים סכמטי של מודולטור IQ והפאזה האופטית המתאימה של מעביר הפאזה; (ו) ייצוג דיכוי נושא על המישור המרוכב. כפי שמוצג באיור 1 (ב), ל- GeSi EAM יש רוחב פס אלקטרו-אופטי רחב. איור 1 (ב) מדד את פרמטר S21 של מבנה בדיקה של EAM GeSi יחיד באמצעות מנתח רכיבים אופטי (LCA) של 67 גיגה-הרץ. איורים 1 (ג) ו- 1 (ד) בהתאמה מתארים את ספקטרום יחס ההכחדה הסטטי (ER) במתחי DC שונים ואת ההעברה באורך גל של 1555 ננומטר.
כפי שמוצג באיור 1 (ה), המאפיין העיקרי של עיצוב זה הוא היכולת לדכא נושאי גלים אופטיים על ידי כוונון מעביר הפאזה המשולב בזרוע האמצעית. הפרש הפאזה בין הזרועות העליונות והתחתונות הוא π/2, המשמש לכוונון מורכב, בעוד שהפרש הפאזה בין הזרוע האמצעית הוא -3 π/4. תצורה זו מאפשרת הפרעה הרסנית לנושא, כפי שמוצג במישור המורכב של איור 1 (ו).
מערך ניסויי ותוצאות
מערך הניסוי המהיר מוצג באיור 2 (א). מחולל צורות גל שרירותיות (Keysight M8194A) משמש כמקור האות, ושני מגברי RF תואמים פאזה של 60 גיגה-הרץ (עם מחברי הטיה משולבים) משמשים כמנהלי התקנים מודולטוריים. מתח ההטיה של GeSi EAM הוא -2.5 וולט, וכבל RF תואם פאזה משמש כדי למזער אי-התאמה חשמלית בפאזה בין ערוצי I ו-Q.
איור 2: (א) מערך ניסויי במהירות גבוהה, (ב) דיכוי גל נושאי ב-70 ג'יגה-באוד, (ג) קצב שגיאה וקצב נתונים, (ד) קבוצת כוכבים ב-70 ג'יגה-באוד. השתמשו בלייזר חלל חיצוני (ECL) מסחרי עם רוחב קו של 100 קילו-הרץ, אורך גל של 1555 ננומטר והספק של 12 dBm כגל נושאי אופטי. לאחר האפנון, האות האופטי מוגבר באמצעותמגבר סיבים מסומם בארביום(EDFA) כדי לפצות על הפסדי צימוד על השבב והפסדי הכנסה של המודולטור.
בצד המקבל, מנתח ספקטרום אופטי (OSA) מנטר את ספקטרום האות ואת דיכוי נושא הגל, כפי שמוצג באיור 2 (ב) עבור אות של 70 ג'יגה-באוד. השתמש במקלט קוהרנטי בעל קיטוב כפול כדי לקבל אותות, המורכב ממערבל אופטי בזווית של 90 מעלות וארבעהפוטודיודות מאוזנות של 40 גיגה-הרץ, ומחובר לאוסצילוסקופ בזמן אמת (RTO) בתדר 33 גיגה-הרץ ובקצב של 80 ג'יגה-הרץ לשנייה (Keysight DSOZ634A). מקור ה-ECL השני, בעל רוחב קו של 100 קילו-הרץ, משמש כמתנד מקומי (LO). עקב הפעלת המשדר בתנאי קיטוב יחיד, רק שני ערוצים אלקטרוניים משמשים להמרה אנלוגית-לדיגיטלית (ADC). הנתונים נרשמים ב-RTO ומעובדים באמצעות מעבד אותות דיגיטלי (DSP) לא מקוון.
כפי שמוצג באיור 2 (ג), מודולטור ה-IQ נבדק באמצעות פורמט אפנון QPSK מ-40 ג'יגה-באוד עד 75 ג'יגה-באוד. התוצאות מצביעות על כך שתחת תנאי תיקון שגיאות קשות (HD-FEC) של 7%, הקצב יכול להגיע ל-140 ג'יגה-ביט לשנייה; תחת תנאי תיקון שגיאות קשות (SD-FEC) של 20%, המהירות יכולה להגיע ל-150 ג'יגה-ביט לשנייה. דיאגרמת הקונסטלציה ב-70 ג'יגה-באוד מוצגת באיור 2 (ד). התוצאה מוגבלת על ידי רוחב הפס של האוסילוסקופ של 33 ג'יגה-הרץ, השווה ערך לרוחב פס אות של כ-66 ג'יגה-באוד.
כפי שמוצג באיור 2 (ב), מבנה שלוש הזרועות יכול לדכא ביעילות נושאי גלים אופטיים עם קצב ריקון העולה על 30 dB. מבנה זה אינו דורש דיכוי מלא של נושא הגלים וניתן להשתמש בו גם במקלטים הדורשים צלילי נושא כדי לשחזר אותות, כגון מקלטי Kramer Kronig (KK). ניתן לכוונן את נושא הגלים באמצעות מעביר פאזה זרוע מרכזי כדי להשיג את יחס נושא לפס צד (CSR) הרצוי.
יתרונות ויישומים
בהשוואה למודולטורים מסורתיים של מאך-זנדר (מודולטורים MZM) ומודולטורי IQ אופטואלקטרוניים אחרים מבוססי סיליקון, למודולטורי IQ מסיליקון המוצע יש יתרונות רבים. ראשית, הוא קומפקטי בגודלו, קטן פי 10 יותר ממודולטורי IQ המבוססים עלמאפנני מאך-זנדר(לא כולל משטחי חיבור), ובכך מגדילים את צפיפות האינטגרציה ומקטינים את שטח השבב. שנית, עיצוב האלקטרודות המוערמות אינו דורש שימוש בנגדים מסוף, ובכך מפחיתים את קיבול המכשיר ואת האנרגיה לכל ביט. שלישית, יכולת דיכוי הגליל ממקסמת את הפחתת עוצמת השידור, ומשפרת עוד יותר את יעילות האנרגיה.
בנוסף, רוחב הפס האופטי של GeSi EAM רחב מאוד (מעל 30 ננומטר), מה שמבטל את הצורך במעגלי בקרת משוב רב-ערוציים ומעבדים כדי לייצב ולסנכרן את התהודה של מודולטורי מיקרוגל (MRMs), ובכך לפשט את התכנון.
מודולטור IQ קומפקטי ויעיל זה מתאים מאוד לדור הבא, עם מספר ערוצים גבוה, ומקלט-משדרים קוהרנטיים קטנים במרכזי נתונים, ומאפשר תקשורת אופטית בעלת קיבולת גבוהה יותר ויעילה יותר באנרגיה.
מודולטור הסיליקון IQ המופעל על ידי דיכוי נושאי גלים מציג ביצועים מצוינים, עם קצב העברת נתונים של עד 150 ג'יגה-ביט לשנייה בתנאי SD-FEC של 20%. למבנה הקומפקטי בעל 3 הזרועות, המבוסס על GeSi EAM, יתרונות משמעותיים מבחינת גודל הגל, יעילות אנרגטית ופשטות עיצוב. מודולטור זה מסוגל לדכא או להתאים את נושא הגל האופטי וניתן לשלב אותו עם תוכניות גילוי קוהרנטיות וגילוי Kramer Kronig (KK) עבור משדרי-מקלטים קוהרנטיים קומפקטיים מרובי קווים. ההישגים המוכחים מניעים את מימוש משדרי-מקלטים אופטיים משולבים ויעילים ביותר כדי לענות על הביקוש הגובר לתקשורת נתונים בעלת קיבולת גבוהה במרכזי נתונים ובתחומים אחרים.
זמן פרסום: 21 בינואר 2025