Optoélectronique compacte à base de siliciummodulateur IQpour les communications cohérentes à haut débit
La demande croissante de débits de transmission de données plus élevés et d'émetteurs-récepteurs plus économes en énergie dans les centres de données a stimulé le développement d'émetteurs-récepteurs compacts et performants.modulateurs optiquesLa technologie optoélectronique à base de silicium (SiPh) est devenue une plateforme prometteuse pour l'intégration de divers composants photoniques sur une seule puce, permettant des solutions compactes et économiques. Cet article présente un nouveau modulateur IQ en silicium à suppression de porteurs, basé sur des modulateurs d'absorption à effet tunnel (EAM) GeSi, fonctionnant à une fréquence allant jusqu'à 75 Gbaud.
Conception et caractéristiques de l'appareil
Le modulateur IQ proposé adopte une structure compacte à trois bras, comme illustré sur la figure 1 (a). Il est composé de trois modules d'amplification électro-optiques (EAM) GeSi et de trois déphaseurs thermo-optiques, selon une configuration symétrique. La lumière incidente est injectée dans la puce via un coupleur à réseau (GC) et divisée en trois faisceaux égaux par un interféromètre multimode 1×3 (MMI). Après passage dans le modulateur et le déphaseur, la lumière est recombinée par un second MMI 1×3, puis injectée dans une fibre monomode (SSMF).
Figure 1 : (a) Image microscopique d’un modulateur IQ ; (b) à (d) Spectre EO S21, taux d’extinction et transmittance d’un EAM GeSi unique ; (e) Schéma du modulateur IQ et phase optique correspondante du déphaseur ; (f) Représentation de la suppression de porteuse dans le plan complexe. Comme illustré sur la figure 1 (b), l’EAM GeSi présente une large bande passante électro-optique. La figure 1 (b) représente la mesure du paramètre S21 d’une structure de test EAM GeSi unique, réalisée à l’aide d’un analyseur de composants optiques (LCA) à 67 GHz. Les figures 1 (c) et 1 (d) illustrent respectivement les spectres du taux d’extinction statique (ER) pour différentes tensions continues et la transmission à une longueur d’onde de 1555 nm.
Comme illustré sur la figure 1 (e), la principale caractéristique de cette conception réside dans sa capacité à supprimer les porteuses optiques grâce au déphaseur intégré au bras central. La différence de phase entre les bras supérieur et inférieur est de π/2, utilisée pour un réglage complexe, tandis que la différence de phase au niveau du bras central est de -3π/4. Cette configuration permet une interférence destructive sur la porteuse, comme le montre le plan complexe de la figure 1 (f).
Dispositif expérimental et résultats
Le dispositif expérimental haute vitesse est présenté sur la figure 2 (a). Un générateur de formes d'onde arbitraires (Keysight M8194A) sert de source de signal, et deux amplificateurs RF à adaptation de phase de 60 GHz (avec circuits de polarisation intégrés) sont utilisés comme pilotes de modulateur. La tension de polarisation du modulateur électro-optique GeSi est de -2,5 V, et un câble RF à adaptation de phase est utilisé pour minimiser le déphasage électrique entre les canaux I et Q.
Figure 2 : (a) Dispositif expérimental haute vitesse, (b) Suppression de la porteuse à 70 Gbaud, (c) Taux d'erreur et débit de données, (d) Constellation à 70 Gbaud. Un laser à cavité externe (ECL) commercial, d'une largeur de raie de 100 kHz, d'une longueur d'onde de 1555 nm et d'une puissance de 12 dBm, est utilisé comme porteuse optique. Après modulation, le signal optique est amplifié à l'aide d'un…amplificateur à fibre dopée à l'erbium(EDFA) pour compenser les pertes de couplage sur puce et les pertes d'insertion du modulateur.
À la réception, un analyseur de spectre optique (OSA) surveille le spectre du signal et la suppression de la porteuse, comme illustré sur la figure 2 (b) pour un signal à 70 Gbaud. Un récepteur cohérent à double polarisation, composé d'un mélangeur optique à 90° et de quatre transistors, est utilisé pour la réception des signaux.photodiodes équilibrées de 40 GHzLe système est connecté à un oscilloscope temps réel (RTO) Keysight DSOZ634A de 33 GHz et 80 GSa/s. Une seconde source ECL, d'une largeur de raie de 100 kHz, sert d'oscillateur local (OL). L'émetteur fonctionnant en polarisation unique, seuls deux canaux électroniques sont utilisés pour la conversion analogique-numérique (CAN). Les données sont enregistrées sur le RTO et traitées par un processeur de signal numérique (DSP) hors ligne.
Comme illustré sur la figure 2 (c), le modulateur IQ a été testé avec une modulation QPSK de 40 à 75 Gbaud. Les résultats indiquent qu'avec une correction d'erreur directe à décision dure (HD-FEC) de 7 %, le débit peut atteindre 140 Gbit/s ; avec une correction d'erreur directe à décision souple (SD-FEC) de 20 %, le débit peut atteindre 150 Gbit/s. Le diagramme de constellation à 70 Gbaud est présenté sur la figure 2 (d). Ce résultat est limité par la bande passante de l'oscilloscope (33 GHz), ce qui correspond à une bande passante de signal d'environ 66 Gbaud.
Comme illustré sur la figure 2 (b), la structure à trois bras permet de supprimer efficacement les porteuses optiques avec un taux de suppression supérieur à 30 dB. Cette structure ne requiert pas une suppression totale de la porteuse et peut également être utilisée dans les récepteurs nécessitant des tonalités porteuses pour la récupération des signaux, tels que les récepteurs Kramer-Kronig (KK). La porteuse peut être ajustée grâce à un déphaseur situé sur le bras central afin d'obtenir le rapport porteuse/bande latérale (CSR) souhaité.
Avantages et applications
Comparé aux modulateurs Mach Zehnder traditionnels (modulateurs MZMPar rapport aux modulateurs IQ optoélectroniques à base de silicium et autres, le modulateur IQ en silicium proposé présente de multiples avantages. Premièrement, sa taille est compacte, plus de 10 fois inférieure à celle des modulateurs IQ basés sur…modulateurs Mach Zehnder(à l'exclusion des plots de connexion), ce qui augmente la densité d'intégration et réduit la surface de la puce. Deuxièmement, la conception à électrodes empilées ne nécessite pas de résistances de terminaison, réduisant ainsi la capacité du dispositif et l'énergie par bit. Troisièmement, la capacité de suppression des porteurs maximise la réduction de la puissance de transmission, améliorant encore l'efficacité énergétique.
De plus, la bande passante optique du GeSi EAM est très large (plus de 30 nanomètres), éliminant le besoin de circuits de contrôle de rétroaction multicanaux et de processeurs pour stabiliser et synchroniser la résonance des modulateurs micro-ondes (MRM), simplifiant ainsi la conception.
Ce modulateur IQ compact et efficace est parfaitement adapté aux émetteurs-récepteurs cohérents de nouvelle génération, à grand nombre de canaux et de petite taille, utilisés dans les centres de données, permettant une communication optique à plus grande capacité et plus économe en énergie.
Le modulateur IQ en silicium à suppression de porteuse présente d'excellentes performances, avec un débit de transmission de données atteignant 150 Gbit/s sous une correction d'erreurs sans voie de retour (SD-FEC) de 20 %. Sa structure compacte à trois bras, basée sur un modulateur d'absorption multi-éléments GeSi (EAM), offre des avantages considérables en termes d'encombrement, d'efficacité énergétique et de simplicité de conception. Ce modulateur permet de supprimer ou d'ajuster la porteuse optique et peut être intégré à des systèmes de détection cohérente et de détection Kramer-Kronig (KK) pour la réalisation d'émetteurs-récepteurs cohérents compacts multi-lignes. Ces performances contribuent à la réalisation d'émetteurs-récepteurs optiques hautement intégrés et efficaces, répondant ainsi à la demande croissante de communications de données à haut débit dans les centres de données et d'autres domaines.
Date de publication : 21 janvier 2025