Optoélectronique compacte à base de siliciummodulateur de QIpour une communication cohérente 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 conduit au développement de systèmes compacts hautes performances.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 explore un nouveau modulateur IQ en silicium à porteuse supprimée, basé sur des EAM GeSi, capable de fonctionner à une fréquence allant jusqu'à 75 Gbauds.
Conception et caractéristiques de l'appareil
Le modulateur IQ proposé adopte une structure compacte à trois bras, comme illustré à la figure 1 (a). Il est composé de trois EAM GeSi et de trois déphaseurs thermo-optiques, selon une configuration symétrique. La lumière d'entrée est couplée à la puce via un coupleur à réseau (GC) et divisée uniformément en trois trajets via un interféromètre multimode 1×3 (MMI). Après avoir traversé le modulateur et le déphaseur, la lumière est recombinée par un autre MMI 1×3, puis couplée à une fibre monomode (SSMF).
Figure 1 : (a) Image microscopique du modulateur IQ ; (b) – (d) EO S21, spectre du rapport d’extinction et transmittance d’un seul EAM GeSi ; (e) Schéma du modulateur IQ et phase optique correspondante du déphaseur ; (f) Représentation de la suppression de porteuse sur le plan complexe. Comme le montre la Figure 1 (b), l’EAM GeSi a une large bande passante électro-optique. La Figure 1 (b) a mesuré le paramètre S21 d’une seule structure de test EAM GeSi à l’aide d’un analyseur de composants optiques (LCA) de 67 GHz. Les Figures 1 (c) et 1 (d) représentent respectivement les spectres du rapport d’extinction statique (ER) à différentes tensions continues et la transmission à une longueur d’onde de 1 555 nanomètres.
Comme le montre la figure 1 (e), la principale caractéristique de cette conception est la possibilité de supprimer les porteuses optiques en ajustant le déphaseur intégré au bras central. Le déphasage entre les bras supérieur et inférieur est de π/2, utilisé pour un réglage complexe, tandis que le déphasage entre le bras central est de -3 π/4. Cette configuration permet une interférence destructive avec la porteuse, comme le montre le plan complexe de la figure 1 (f).
Dispositif expérimental et résultats
Le dispositif expérimental à grande vitesse est illustré à la figure 2 (a). Un générateur de signaux arbitraires (Keysight M8194A) sert de source de signal, et deux amplificateurs RF à phase adaptée de 60 GHz (avec tés de polarisation intégrés) servent de pilotes de modulateur. La tension de polarisation de l'EAM GeSi est de -2,5 V, et un câble RF à phase adaptée est utilisé pour minimiser le décalage de phase électrique entre les canaux I et Q.
Figure 2 : (a) Dispositif expérimental à grande vitesse, (b) Suppression de porteuse à 70 Gbauds, (c) Taux d'erreur et débit de données, (d) Constellation à 70 Gbauds. On utilise comme porteuse optique un laser à cavité externe (ECL) commercial avec une largeur de raie de 100 kHz, une longueur d'onde de 1 555 nm et une puissance de 12 dBm. Après modulation, le signal optique est amplifié à l'aide d'unamplificateur 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 à la figure 2 (b) pour un signal de 70 Gbauds. Pour recevoir les signaux, utilisez un récepteur cohérent à double polarisation, composé d'un mélangeur optique à 90 degrés et de quatrePhotodiodes équilibrées à 40 GHz, et est connecté à un oscilloscope temps réel (RTO) de 33 GHz et 80 Géch/s (Keysight DSOZ634A). La deuxième source ECL, d'une largeur de raie de 100 kHz, sert d'oscillateur local (OL). L'émetteur fonctionnant en polarisation simple, seules deux voies électroniques sont utilisées 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 le montre la figure 2 (c), le modulateur IQ a été testé en utilisant le format de modulation QPSK de 40 Gbaud à 75 Gbaud. Les résultats indiquent que dans des conditions de correction d'erreur directe par décision dure (HD-FEC) de 7 %, le débit peut atteindre 140 Gb/s ; dans des conditions de correction d'erreur directe par décision douce (SD-FEC) de 20 %, la vitesse peut atteindre 150 Gb/s. Le diagramme de constellation à 70 Gbaud est présenté dans la figure 2 (d). Le résultat est limité par la bande passante de l'oscilloscope de 33 GHz, ce qui équivaut à une bande passante de signal d'environ 66 Gbaud.
Comme le montre 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 nécessite pas de suppression complète de la porteuse et peut également être utilisée dans les récepteurs nécessitant des tonalités porteuses pour récupérer les signaux, tels que les récepteurs Kramer Kronig (KK). La porteuse peut être ajustée grâce à un déphaseur à bras central pour obtenir le rapport porteuse/bande latérale (CSR) souhaité.
Avantages et applications
Comparé aux modulateurs Mach Zehnder traditionnels (Modulateurs MZM) et d'autres modulateurs IQ optoélectroniques à base de silicium, le modulateur IQ en silicium proposé présente de nombreux avantages. Tout d'abord, il est compact, plus de dix fois plus petit que les modulateurs IQ basés surModulateurs Mach Zehnder(hors plots de connexion), augmentant ainsi la densité d'intégration et réduisant la surface de la puce. Deuxièmement, la conception à électrodes empilées ne nécessite pas de résistances terminales, réduisant ainsi la capacité du dispositif et l'énergie par bit. Troisièmement, la capacité de suppression des porteuses maximise la réduction de la puissance de transmission, améliorant ainsi 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 nombre de canaux élevé et de petite taille dans les centres de données, permettant une capacité supérieure et une communication optique plus économe en énergie.
Le modulateur IQ en silicium à suppression de porteuse affiche d'excellentes performances, avec un débit de transmission de données allant jusqu'à 150 Gb/s dans des conditions SD-FEC de 20 %. Sa structure compacte à 3 bras, basée sur l'EAM GeSi, présente des avantages significatifs 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 aux schémas de détection cohérente et de détection Kramer Kronig (KK) pour les émetteurs-récepteurs cohérents compacts multilignes. Ces performances permettent la réalisation d'émetteurs-récepteurs optiques hautement intégrés et performants, répondant à la demande croissante de communication de données haute capacité dans les centres de données et autres secteurs.
Date de publication : 21 janvier 2025