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 et hautes performances.modulateurs optiques. La technologie optoélectronique basée sur le silicium (SiPh) est devenue une plate-forme prometteuse pour intégrer divers composants photoniques sur une seule puce, permettant ainsi des solutions compactes et rentables. Cet article explorera un nouveau modulateur IQ en silicium à porteuse supprimée, basé sur des GeSi EAM, qui peut 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 le montre la figure 1 (a). Composé de trois GeSi EAM et de trois déphaseurs thermo-optiques, adoptant une configuration symétrique. La lumière d'entrée est couplée à la puce via un coupleur de réseau (GC) et divisée uniformément en trois chemins via un interféromètre multimode (MMI) 1 × 3. 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 taux d'extinction et transmission d'un seul GeSi EAM ; (e) Diagramme schématique du modulateur IQ et phase optique correspondante du déphaseur ; (f) Représentation de la suppression de la porteuse sur le plan complexe. Comme le montre la figure 1 (b), GeSi EAM possède une large bande passante électro-optique. La figure 1 (b) a mesuré le paramètre S21 d'une seule structure de test GeSi EAM à l'aide d'un analyseur de composants optiques (LCA) à 67 GHz. Les figures 1 (c) et 1 (d) représentent respectivement les spectres du taux d'extinction statique (ER) à différentes tensions continues et la transmission à une longueur d'onde de 1555 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 dans le 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 entre le bras central est de -3 π/4. Cette configuration permet une interférence destructrice sur le porteur, comme le montre le plan complexe de la figure 1 (f).
Configuration expérimentale et résultats
La configuration expérimentale à grande vitesse est illustrée à la figure 2 (a). Un générateur de forme d'onde arbitraire (Keysight M8194A) est utilisé comme source de signal, et deux amplificateurs RF à phase adaptée de 60 GHz (avec tés de polarisation intégrés) sont utilisés comme pilotes de modulateur. La tension de polarisation du GeSi EAM est de -2,5 V et un câble RF à phase adaptée est utilisé pour minimiser l'inadéquation de phase électrique entre les canaux I et Q.
Figure 2 : (a) Configuration expérimentale à grande vitesse, (b) Suppression de la porteuse à 70 Gbauds, (c) Taux d'erreur et débit de données, (d) Constellation à 70 Gbauds. Utilisez 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 comme support optique. 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 le montre la figure 2 (b) pour un signal de 70 Gbauds. Utilisez un récepteur cohérent à double polarisation pour recevoir des signaux, composé d'un mélangeur optique à 90 degrés et de quatrePhotodiodes équilibrées 40 GHz, et est connecté à un oscilloscope en temps réel (RTO) de 33 GHz, 80 Géch/s (Keysight DSOZ634A). La deuxième source ECL avec une largeur de raie de 100 kHz est utilisée comme oscillateur local (LO). En raison du fonctionnement de l'émetteur dans des conditions de polarisation unique, seuls deux canaux électroniques sont utilisés pour la conversion analogique-numérique (ADC). Les données sont enregistrées sur RTO et traitées à l'aide d'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 (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 Gbauds est illustré à 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 Gbauds.
Comme le montre la figure 2 (b), la structure à trois bras peut supprimer efficacement les porteuses optiques avec un taux de suppression dépassant 30 dB. Cette structure ne nécessite pas de suppression complète de la porteuse et peut également être utilisée dans les récepteurs qui nécessitent des tonalités porteuses pour récupérer les signaux, tels que les récepteurs Kramer Kronig (KK). La porteuse peut être ajustée via un déphaseur à bras central pour obtenir le rapport porteuse/bande latérale (CSR) souhaité.
Avantages et applications
Par rapport 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 multiples avantages. Premièrement, il est de taille compacte, plus de 10 fois plus petit que les modulateurs IQ basés surModulateurs Mach Zehnder(à l'exclusion des plots de liaison), augmentant ainsi la densité d'intégration et réduisant la surface de la puce. Deuxièmement, la conception des électrodes empilées ne nécessite pas l’utilisation de résistances terminales, réduisant ainsi la capacité du dispositif et l’énergie par bit. Troisièmement, la capacité de suppression de porteuse maximise la réduction de la puissance de transmission, améliorant ainsi 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 et de processeurs de contrôle de rétroaction multicanaux pour stabiliser et synchroniser la résonance des modulateurs micro-ondes (MRM), simplifiant ainsi la conception.
Ce modulateur IQ compact et efficace convient parfaitement aux émetteurs-récepteurs cohérents de nouvelle génération à nombre de canaux élevé et aux petits émetteurs-récepteurs cohérents dans les centres de données, permettant une capacité plus élevée et une communication optique plus économe en énergie.
Le modulateur IQ en silicium à porteuse supprimée présente d'excellentes performances, avec un taux de transmission de données allant jusqu'à 150 Gbit/s dans des conditions SD-FEC de 20 %. Sa structure compacte à 3 bras basée sur GeSi EAM présente des avantages significatifs en termes d'encombrement, d'efficacité énergétique et de simplicité de conception. Ce modulateur a la capacité 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. Les réalisations démontrées conduisent à la réalisation d'émetteurs-récepteurs optiques hautement intégrés et efficaces pour répondre à la demande croissante de communication de données à haute capacité dans les centres de données et dans d'autres domaines.
Heure de publication : 21 janvier 2025