高速コヒーレント通信コンパクトシリコンベースのオプトエレクトロニクスIQ変調器用

コンパクトシリコンベースのオプトエレクトロニクスIQモジュレーター高速コヒーレント通信用
データセンターでのより高いデータ送信レートとよりエネルギー効率の高いトランシーバーに対する需要の増加により、コンパクトな高性能の開発が促進されました光モジュレーター。シリコンベースの光電子技術（SIFH）は、さまざまなフォトニックコンポーネントを単一のチップに統合するための有望なプラットフォームになり、コンパクトで費用対効果の高いソリューションを可能にします。この記事では、GESI EAMSに基づいて、最大75 GBaudの頻度で動作できる新しいキャリア抑制されたシリコンIQ変調器を探ります。
デバイスの設計と特性
提案されたIQモジュレーターは、図1（a）に示すように、コンパクトな3つのアーム構造を採用しています。 3つのgesi eamと3つの熱光相シフターで構成され、対称的な構成を採用します。入力光は、グレーティングカプラー（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）を介して3つのパスに均等に分割されます。変調器と位相シフターを通過した後、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ー（SSMF）に結合されます。

図1：（a）IQモジュレーターの顕微鏡画像。 （b） - （d）EO S21、絶滅比スペクトル、および単一のgesi eamの透過率。 （e）IQモジュレーターの概略図および相シフターの対応する光学位相。 （f）複雑な平面上のキャリア抑制表現。図1（b）に示すように、Gesi EAMには広い電気光学帯域幅があります。図1（b）は、67 GHz光学コンポーネントアナライザー（LCA）を使用して、単一のGESI EAMテスト構造のS21パラメーターを測定しました。図1（c）および1（d）は、それぞれ異なるDC電圧での静的絶滅比（ER）スペクトルと1555ナノメートルの波長での透過を示しています。
図1（e）に示すように、この設計の主な特徴は、中央の腕の積分位相シフターを調整することにより、光学キャリアを抑制する機能です。上腕と下の腕の位相差はπ/2で、複雑なチューニングに使用されますが、中央の腕の位相差は-3π/4です。この構成により、図1（f）の複雑な平面に示すように、キャリアへの破壊的な干渉が可能になります。
実験的なセットアップと結果
高速実験セットアップを図2（a）に示します。任意の波形ジェネレーター（キーサイトM8194A）が信号ソースとして使用され、2つの60 GHz位相マッチングRFアンプ（統合バイアスTEESを使用）がモジュレータードライバーとして使用されます。 GESI EAMのバイアス電圧は-2.5 Vであり、IとQチャネル間の電気位相の不一致を最小限に抑えるために、相一致するRFケーブルが使用されます。
図2：（a）高速実験セットアップ、（b）70 Gbaudでのキャリア抑制、（c）エラー率とデータレート、（d）70 Gbaudの星座。 100 kHzのライン幅、波長1555 nm、および光学キャリアとして12 dBMの電力を持つ市販の外部キャビティレーザー（ECL）を使用します。変調後、ANを使用して光信号が増幅されますエルビウムドープ繊維アンプ（EDFA）オンチップカップリング損失とモジュレーター挿入損失を補う。
受信側では、70 GBaud信号の図2（b）に示すように、光スペクトルアナライザー（OSA）が信号スペクトルとキャリア抑制を監視します。デュアル偏光コヒーレントレシーバーを使用して、90度の光学ミキサーと4つの信号で構成される信号を受け取ります40 GHzバランスのとれたフォトダイオード、および33 GHz、80 GSA/sリアルタイムオシロスコープ（RTO）（キーサイトDSOZ634A）に接続されています。 100 kHzのライン幅を持つ2番目のECLソースは、ローカル発振器（LO）として使用されます。単一偏光条件下で動作する送信機により、アナログからデジタルへの変換（ADC）に使用される電子チャネルは2つだけです。データはRTOに記録され、オフラインデジタル信号プロセッサ（DSP）を使用して処理されます。
図2（c）に示すように、IQモジュレーターは、40 Gbaudから75 GbaudまでのQPSK変調形式を使用してテストされました。結果は、7％未満の困難な意思決定前方エラー補正（HD-FEC）条件で、レートは140 GB/sに達する可能性があることを示しています。 20％の柔らかい意思決定前方エラー補正（SD-FEC）の条件下では、速度は150 GB/sに達することがあります。 70 Gbaudの星座図を図2（d）に示します。結果は、約66 GBaudの信号帯域幅に相当する33 GHzのオシロスコープ帯域幅によって制限されます。

図2（b）に示すように、3つのアーム構造は、30 dBを超えるブランキングレートで光学キャリアを効果的に抑制できます。この構造は、キャリアの完全な抑制を必要とせず、Kramer Kronig（KK）レシーバーなどの信号を回復するためにキャリアトーンを必要とするレシーバーでも使用できます。キャリアを中央のアーム相シフターを介して調整して、目的のキャリアとサイドバンド比（CSR）を実現できます。
利点とアプリケーション
従来のマッハゼンダーモジュレーターと比較して（MZMモジュレーター）およびその他のシリコンベースの光電子IQモジュレーター、提案されたシリコンIQモジュレーターには複数の利点があります。まず、サイズはコンパクトで、に基づいてIQモジュレーターの10倍以上が小さくなっていますMach Zehnderモジュレーター（結合パッドを除く）したがって、積分密度が増加し、チップ領域が減少します。第二に、積み重ねられた電極設計では、端子抵抗器の使用を必要とせず、それによりデバイスの容量とビットあたりのエネルギーが減少します。第三に、キャリア抑制機能は伝送出力の低下を最大化し、エネルギー効率をさらに向上させます。
さらに、Gesi EAMの光学帯域幅は非常に広く（30ナノメートルを超える）、マルチチャネルフィードバック制御サーキットとプロセッサがマイクロ波モジュレーター（MRM）の共鳴を安定させて同期させる必要性を排除し、それによりデザインを簡素化します。
このコンパクトで効率的なIQモジュレーターは、次世代、高チャネルカウント、およびデータセンターの小さなコヒーレントトランシーバーに非常に適しており、より高い容量とよりエネルギー効率の高い光学通信を可能にします。
シリコンIQモジュレーターを抑制したキャリアは、20％のSD-FEC条件未満で最大150 GB/sのデータ伝送速度で優れた性能を示します。 GESI EAMに基づくコンパクトな3アーム構造には、フットプリント、エネルギー効率、設計のシンプルさの点で大きな利点があります。このモジュレーターには、光学キャリアを抑制または調整する機能があり、マルチラインコンパクトコヒーレントトランシーバーのコヒーレント検出およびKramer Kronig（KK）検出スキームと統合できます。実証された成果は、データセンターやその他の分野での大容量データ通信の需要の高まりを満たすために、高度に統合された効率的な光学トランシーバーの実現を促進します。