კომპაქტური სილიკონზე დაფუძნებული ოპტოელექტრონულიIQ მოდულატორიმაღალსიჩქარიანი თანმიმდევრული კომუნიკაციისთვის
მონაცემთა ცენტრებში მონაცემთა გადაცემის უფრო მაღალი სიჩქარისა და უფრო ენერგოეფექტური გადამცემ-მიმღებების მზარდმა მოთხოვნამ განაპირობა კომპაქტური, მაღალი ხარისხის მატარებლების შემუშავება.ოპტიკური მოდულატორებისილიკონზე დაფუძნებული ოპტოელექტრონული ტექნოლოგია (SiPh) გახდა პერსპექტიული პლატფორმა სხვადასხვა ფოტონური კომპონენტის ერთ ჩიპზე ინტეგრირებისთვის, რაც უზრუნველყოფს კომპაქტურ და ეკონომიურ გადაწყვეტილებებს. ეს სტატია შეისწავლის GeSi EAM-ებზე დაფუძნებულ ახალ მატარებლით დათრგუნულ სილიკონის IQ მოდულატორს, რომელსაც შეუძლია მუშაობა 75 გბაუდამდე სიხშირით.
მოწყობილობის დიზაინი და მახასიათებლები
შემოთავაზებული IQ მოდულატორი იყენებს კომპაქტურ სამმკლავიან სტრუქტურას, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1 (ა)-ზე. შედგება სამი GeSi EAM-ისა და სამი თერმოოპტიკური ფაზის გადამრთველისგან, რომლებიც იღებენ სიმეტრიულ კონფიგურაციას. შემავალი სინათლე ჩიპს უერთდება ბადისებრი შემაერთებლის (GC) მეშვეობით და თანაბრად იყოფა სამ გზად 1×3 მულტიმოდური ინტერფერომეტრის (MMI) მეშვეობით. მოდულატორსა და ფაზის გადამრთველში გავლის შემდეგ, სინათლე ხელახლა კომბინირდება სხვა 1×3 MMI-თან და შემდეგ უერთდება ერთმოდიან ბოჭკოს (SSMF).
სურათი 1: (ა) IQ მოდულატორის მიკროსკოპული გამოსახულება; (ბ) – (დ) EO S21, ჩაქრობის კოეფიციენტის სპექტრი და ერთი GeSi EAM-ის გამტარობა; (ე) IQ მოდულატორის და ფაზის გადამრთველის შესაბამისი ოპტიკური ფაზის სქემატური დიაგრამა; (ვ) მატარებლის დათრგუნვის წარმოდგენა კომპლექსურ სიბრტყეზე. როგორც ნაჩვენებია სურათი 1 (ბ)-ზე, GeSi EAM-ს აქვს ფართო ელექტრო-ოპტიკური გამტარობა. სურათი 1 (ბ)-ში გაზომილია ერთი GeSi EAM სატესტო სტრუქტურის S21 პარამეტრი 67 გჰც ოპტიკური კომპონენტების ანალიზატორის (LCA) გამოყენებით. სურათები 1 (გ) და 1 (დ) შესაბამისად ასახავს სტატიკური ჩაქრობის კოეფიციენტის (ER) სპექტრებს სხვადასხვა DC ძაბვის დროს და გადაცემას 1555 ნანომეტრის ტალღის სიგრძეზე.
როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 1 (ე)-ზე, ამ დიზაინის მთავარი მახასიათებელია ოპტიკური მატარებლების ჩახშობის შესაძლებლობა შუა მკლავში ინტეგრირებული ფაზის გადამრთველის რეგულირებით. ზედა და ქვედა მკლავებს შორის ფაზური სხვაობაა π/2, რომელიც გამოიყენება კომპლექსური რეგულირებისთვის, ხოლო შუა მკლავებს შორის ფაზური სხვაობაა -3 π/4. ეს კონფიგურაცია საშუალებას იძლევა დესტრუქციული ინტერფერენციისა გადამტანზე, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1 (ვ)-ზე მოცემულ კომპლექსურ სიბრტყეზე.
ექსპერიმენტული დაყენება და შედეგები
მაღალსიჩქარიანი ექსპერიმენტული სისტემა ნაჩვენებია ნახაზ 2 (ა)-ზე. სიგნალის წყაროდ გამოიყენება თვითნებური ტალღის ფორმის გენერატორი (Keysight M8194A), ხოლო მოდულატორის დრაივერებად გამოიყენება ორი 60 გჰც სიხშირის ფაზურად შესაბამისი RF გამაძლიერებელი (ინტეგრირებული გადახრის წერტილებით). GeSi EAM-ის გადახრის ძაბვაა -2.5 ვ, ხოლო I და Q არხებს შორის ელექტრული ფაზური შეუსაბამობის მინიმიზაციისთვის გამოიყენება ფაზურად შესაბამისი RF კაბელი.
სურათი 2: (ა) მაღალსიჩქარიანი ექსპერიმენტული მოწყობა, (ბ) მატარებლის დათრგუნვა 70 გბაუდზე, (გ) შეცდომის სიხშირე და მონაცემთა გადაცემის სიჩქარე, (დ) თანავარსკვლავედი 70 გბაუდზე. ოპტიკური მატარებლის სახით გამოიყენეთ კომერციული გარე ღრუს ლაზერი (ECL) 100 კჰც ხაზის სიგანით, 1555 ნმ ტალღის სიგრძით და 12 დბმ სიმძლავრით. მოდულაციის შემდეგ, ოპტიკური სიგნალი ძლიერდებაერბიუმის დოპირებული ბოჭკოვანი გამაძლიერებელი(EDFA) ჩიპზე შეერთების დანაკარგების და მოდულატორის ჩასმის დანაკარგების კომპენსირებისთვის.
მიმღებ მხარეს, ოპტიკური სპექტრის ანალიზატორი (OSA) აკონტროლებს სიგნალის სპექტრს და მატარებლის ჩახშობას, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 2 (ბ)-ზე 70 გბაუდიანი სიგნალისთვის. სიგნალების მისაღებად გამოიყენეთ ორმაგი პოლარიზაციის კოჰერენტული მიმღები, რომელიც შედგება 90 გრადუსიანი ოპტიკური მიქსერისა და ოთხი40 გჰც-იანი დაბალანსებული ფოტოდიოდებიდა დაკავშირებულია 33 გჰც სიხშირის, 80 გსა/წმ სიხშირის რეალურ დროში მომუშავე ოსცილოსკოპთან (RTO) (Keysight DSOZ634A). მეორე ECL წყარო, რომლის ხაზის სიგანე 100 კჰც-ია, გამოიყენება როგორც ლოკალური ოსცილატორი (LO). იმის გამო, რომ გადამცემი მუშაობს ერთი პოლარიზაციის პირობებში, ანალოგურ-ციფრული გარდაქმნისთვის (ADC) გამოიყენება მხოლოდ ორი ელექტრონული არხი. მონაცემები იწერება RTO-ზე და მუშავდება ოფლაინ ციფრული სიგნალის პროცესორის (DSP) გამოყენებით.
როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 2 (გ)-ზე, IQ მოდულატორი გამოიცადა QPSK მოდულაციის ფორმატის გამოყენებით 40 გბაუდიდან 75 გბაუდამდე. შედეგები მიუთითებს, რომ 7%-იანი მკაცრი პირდაპირი შეცდომის კორექციის (HD-FEC) პირობებში, სიჩქარემ შეიძლება მიაღწიოს 140 გბიტ/წმ-ს; 20%-იანი რბილი პირდაპირი შეცდომის კორექციის (SD-FEC) პირობებში, სიჩქარემ შეიძლება მიაღწიოს 150 გბიტ/წმ-ს. 70 გბაუდის თანავარსკვლავედის დიაგრამა ნაჩვენებია ნახაზ 2 (დ)-ზე. შედეგი შეზღუდულია ოსცილოსკოპის 33 გჰც-იანი გამტარობით, რაც დაახლოებით 66 გბაუდიანი სიგნალის გამტარობის ეკვივალენტურია.
როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 2 (ბ)-ზე, სამმკლავიანი სტრუქტურა ეფექტურად ახშობს ოპტიკურ მატარებლებს 30 დბ-ზე მეტი ჩახშობის სიჩქარით. ეს სტრუქტურა არ საჭიროებს მატარებლის სრულ ჩახშობას და ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას მიმღებებში, რომლებსაც სიგნალების აღსადგენად მატარებლის ტონები სჭირდებათ, როგორიცაა Kramer Kronig (KK) მიმღებები. მატარებლის რეგულირება შესაძლებელია ცენტრალური მკლავის ფაზის გადამრთველის მეშვეობით სასურველი მატარებლისა და გვერდითი ზოლის თანაფარდობის (CSR) მისაღწევად.
უპირატესობები და გამოყენება
ტრადიციულ მახ-ზენდერის მოდულატორებთან შედარებით (MZM მოდულატორები) და სხვა სილიკონზე დაფუძნებული ოპტოელექტრონული IQ მოდულატორების გათვალისწინებით, შემოთავაზებულ სილიკონის IQ მოდულატორს მრავალი უპირატესობა აქვს. პირველ რიგში, ის კომპაქტური ზომისაა, 10-ჯერ უფრო პატარა, ვიდრე IQ მოდულატორები, რომლებიც დაფუძნებულიამახ-ზენდერის მოდულატორები(შემაკავშირებელი ბალიშების გამოკლებით), რითაც იზრდება ინტეგრაციის სიმკვრივე და მცირდება ჩიპის ფართობი. მეორეც, ერთმანეთზე დაწყობილი ელექტროდების დიზაინი არ საჭიროებს ტერმინალური რეზისტორების გამოყენებას, რითაც მცირდება მოწყობილობის ტევადობა და ენერგია ბიტზე. მესამე, მატარებლის ჩახშობის შესაძლებლობა მაქსიმალურად ამცირებს გადაცემის სიმძლავრეს, რაც კიდევ უფრო აუმჯობესებს ენერგოეფექტურობას.
გარდა ამისა, GeSi EAM-ის ოპტიკური გამტარობა ძალიან ფართოა (30 ნანომეტრზე მეტი), რაც გამორიცხავს მრავალარხიანი უკუკავშირის მართვის სქემებისა და პროცესორების საჭიროებას მიკროტალღური მოდულატორების (MRM) რეზონანსის სტაბილიზაციისა და სინქრონიზაციისთვის, რითაც ამარტივებს დიზაინს.
ეს კომპაქტური და ეფექტური IQ მოდულატორი ძალიან შესაფერისია მონაცემთა ცენტრებში ახალი თაობის, მაღალი რაოდენობის არხებისა და მცირე კოჰერენტული გადამცემ-მიმღებებისთვის, რაც უზრუნველყოფს უფრო მაღალ სიმძლავრეს და უფრო ენერგოეფექტურ ოპტიკურ კომუნიკაციას.
მატარებლით დათრგუნული სილიკონის IQ მოდულატორი შესანიშნავ მუშაობას აჩვენებს, მონაცემთა გადაცემის სიჩქარით 150 გბ/წმ-მდე 20% SD-FEC პირობებში. მის კომპაქტურ, 3-მკლავიან სტრუქტურას, რომელიც დაფუძნებულია GeSi EAM-ზე, მნიშვნელოვანი უპირატესობები აქვს ტევადობის, ენერგოეფექტურობისა და დიზაინის სიმარტივის თვალსაზრისით. ამ მოდულატორს აქვს ოპტიკური მატარებლის დათრგუნვის ან რეგულირების უნარი და შეიძლება ინტეგრირებული იყოს კოჰერენტულ დეტექციასთან და კრამერ კრონიგის (KK) დეტექციასთან მრავალხაზიანი კომპაქტური კოჰერენტული გადამცემ-მიმღებებისთვის. დემონსტრირებული მიღწევები ხელს უწყობს მაღალ ინტეგრირებული და ეფექტური ოპტიკური გადამცემ-მიმღებების რეალიზაციას, რათა დაკმაყოფილდეს მონაცემთა ცენტრებსა და სხვა სფეროებში მაღალი სიმძლავრის მონაცემთა კომუნიკაციის მზარდი მოთხოვნა.
გამოქვეყნების დრო: 2025 წლის 21 იანვარი