高速コヒーレント通信用小型シリコンベース光電子IQ変調器

コンパクトなシリコンベースの光電子IQモジュレーター高速コヒーレント通信用
データセンターにおけるデータ伝送速度の向上とエネルギー効率の高いトランシーバーの需要の高まりにより、小型で高性能な光変調器シリコンベースの光電子技術（SiPh）は、様々な光子コンポーネントを単一チップに統合し、コンパクトでコスト効率の高いソリューションを実現する有望なプラットフォームとなっています。本稿では、最大75Gbaudの周波数で動作可能な、GeSi EAMをベースとした新しいキャリア抑制型シリコンIQ変調器について考察します。
デバイスの設計と特性
提案するIQ変調器は、図1(a)に示すように、コンパクトな3アーム構造を採用しています。3つのGeSi EAMと3つの熱光位相シフタで構成され、対称的な構成を採用しています。入力光はグレーティングカプラ（GC）を介してチップに結合され、1×3マルチモード干渉計（MMI）によって3つの光路に均等に分割されます。変調器と位相シフタを通過した後、光は別の1×3 MMIによって再結合され、シングルモードファイバ（SSMF）に結合されます。

図1：（a）IQ変調器の顕微鏡画像、（b）～（d）単一のGeSi EAMのEO S21、消光比スペクトル、透過率、（e）IQ変調器と位相シフタの対応する光位相の模式図、（f）複素平面上の搬送波抑制表現。図1（b）に示すように、GeSi EAMは広い電気光学帯域幅を備えています。図1（b）は、67GHz光コンポーネントアナライザ（LCA）を使用して、単一のGeSi EAMテスト構造のS21パラメータを測定しました。図1（c）と1（d）は、それぞれ、異なるDC電圧での静的消光比（ER）スペクトルと、波長1555ナノメートルでの透過率を示しています。
図1(e)に示すように、この設計の主な特徴は、中間アームに内蔵された位相シフタを調整することで光搬送波を抑制できることです。上下アーム間の位相差はπ/2で、複素チューニングに用いられます。一方、中間アーム間の位相差は-3π/4です。この構成により、図1(f)の複素平面に示すように、搬送波に対する相殺干渉が可能になります。
実験の設定と結果
高速実験のセットアップを図2(a)に示す。信号源として任意波形発生器（Keysight M8194A）を使用し、変調器ドライバとして2台の60GHz位相整合RFアンプ（バイアスT内蔵）を使用する。GeSi EAMのバイアス電圧は-2.5Vで、IチャネルとQチャネル間の電気的位相不整合を最小限に抑えるため、位相整合RFケーブルを使用する。
図2: (a) 高速実験装置、(b) 70 Gbaudにおける搬送波抑圧、(c) エラー率とデータレート、(d) 70 Gbaudにおけるコンステレーション。光搬送波として、線幅100 kHz、波長1555 nm、出力12 dBmの市販の外部共振器レーザー（ECL）を使用する。変調後、光信号は増幅装置を用いて増幅される。エルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）は、オンチップ結合損失と変調器挿入損失を補償します。
受信側では、光スペクトラムアナライザ（OSA）が信号スペクトルと搬送波抑圧を監視します（図2（b）参照）。信号を受信するには、90度光ミキサーと4つの偏波コヒーレント受信機で構成されるデュアル偏波コヒーレント受信機を使用します。40GHzバランスフォトダイオード33GHz、80GSa/sのリアルタイムオシロスコープ（RTO）（Keysight DSOZ634A）に接続されています。線幅100kHzの2つ目のECL光源は、局部発振器（LO）として使用されます。送信機は単一偏波状態で動作するため、アナログ-デジタル変換（ADC）には2つの電子チャネルのみが使用されます。データはRTOに記録され、オフラインのデジタル信号プロセッサ（DSP）によって処理されます。
図2(c)に示すように、IQ変調器は40Gbaudから75GbaudまでのQPSK変調方式を用いてテストされました。結果は、7%の硬判定前方誤り訂正（HD-FEC）条件下では速度が140Gb/sに達すること、20%の軟判定前方誤り訂正（SD-FEC）条件下では速度が150Gb/sに達することを示しています。70Gbaudにおけるコンスタレーションダイアグラムを図2(d)に示します。結果はオシロスコープの帯域幅33GHzによって制限されており、これは約66Gbaudの信号帯域幅に相当します。

図2（b）に示すように、3アーム構造は、ブランキングレートが30dBを超える光キャリアを効果的に抑制できます。この構造ではキャリアを完全に抑制する必要がなく、Kramer Kronig（KK）受信機など、信号を再生するためにキャリアトーンを必要とする受信機にも使用できます。キャリアは、中央アームの位相シフタを介して調整でき、所望のキャリア対サイドバンド比（CSR）を実現します。
利点と用途
従来のマッハ・ツェンダ変調器（MZM変調器）やその他のシリコンベースの光電子IQ変調器と比較して、提案するシリコンIQ変調器には多くの利点があります。まず、サイズがコンパクトで、従来のIQ変調器の10分の1以下です。マッハ・ゼンダー変調器（ボンディングパッドを除く）により、集積密度が向上し、チップ面積が削減されます。また、積層電極設計により終端抵抗が不要になるため、デバイス容量とビットあたりの消費電力が削減されます。さらに、キャリア抑制機能により送信電力の低減が最大限に図られ、エネルギー効率がさらに向上します。
さらに、GeSi EAM の光帯域幅は非常に広い (30 ナノメートル以上) ため、マイクロ波変調器 (MRM) の共振を安定させて同期させるためのマルチチャネル フィードバック制御回路やプロセッサが不要になり、設計が簡素化されます。
このコンパクトで効率的な IQ 変調器は、データセンターの次世代、高チャネル数、小型コヒーレント トランシーバーに最適で、より大容量でエネルギー効率の高い光通信を実現します。
搬送波抑制型シリコンIQ変調器は優れた性能を示し、SD-FEC 20%の条件下で最大150 Gb/sのデータ伝送速度を実現します。GeSi EAMをベースとしたコンパクトな3アーム構造は、フットプリント、エネルギー効率、設計の簡略化といった点で大きな利点を備えています。この変調器は光搬送波を抑制または調整する機能を備えており、コヒーレント検波方式やKramer Kronig（KK）検波方式と統合することで、マルチラインコンパクトコヒーレントトランシーバを実現できます。実証された成果は、データセンターなどの分野における大容量データ通信の需要の高まりに応える、高集積で効率的な光トランシーバの実現を推進します。