高速コヒーレント通信向け小型シリコンベース光電子IQ変調器

小型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への需要の高まりは、小型高性能トランシーバーの開発を促進してきた。光変調器シリコンベースの光電子技術（SiPh）は、様々なフォトニックコンポーネントを単一チップ上に集積するための有望なプラットフォームとなり、小型でコスト効率の高いソリューションを実現しています。本稿では、最大75ギガボー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変調器について解説します。
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つの熱光学位相シフターで構成され、対称的な構成となっています。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つの経路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 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、および透過率、(e) IQ 変調器の概略図と位相シフターの対応する光位相、(f) 複素平面上のキャリア抑制表現。図 1 (b) に示すように、GeSi EAM は広い電気光学帯域幅を持っています。図 1 (b) は、67 GHz 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たものです。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、中央アームに内蔵された位相シフターを調整することで光キャリアを抑制できることです。上下アーム間の位相差はπ/2で、これは複素数チューニングに使用され、中央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、キャリアに対して破壊的干渉が起こります。
実験装置と結果
高速実験装置の構成を図2（a）に示す。信号源として任意波形発生器（Keysight M8194A）を用い、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字管内蔵）を使用する。GeSi EAMのバイアス電圧は-2.5Vであり、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でのコンスタレーション。光キャリアとして、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、光信号は増幅され、エルビウム添加光ファイバー増幅器（EDFA）は、オンチップ結合損失と変調器挿入損失を補償するために使用されます。
受信側では、図2（b）に示すように、70ギガボー信号の場合、光スペクトルアナライザ（OSA）が信号スペクトルとキャリア抑制を監視します。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からなるデュアル偏波コヒーレント受信機を使用します。40GHzバランス型フォトダイオード送信機は、33 GHz、80 GSa/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 100 kHz の第 2 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) を使用して処理されます。
図2（c）に示すように、IQ変調器は40 Gbaudから75 GbaudまでのQPSK変調方式を使用してテストされました。結果は、7%ハードデシジョン前方誤り訂正（HD-FEC）条件下ではレートが140 Gb/sに達し、20%ソフトデシジョン前方誤り訂正（SD-FEC）条件下では速度が150 Gb/sに達することを示しています。70 Gbaudでの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33 GHzによって制限されており、これは約66 Gbaud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、30dBを超えるブランキング率で光キャリアを効果的に抑制できます。この構造はキャリアを完全に抑制する必要はなく、クレーマー・クローニッヒ（KK）受信機のように、信号を復元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ーによって調整でき、所望のキャリア対サイドバンド比（CSR）を実現できます。
利点と用途
従来のマッハツェンダー変調器と比較して（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変調器には複数の利点があります。まず、サイズがコンパクトで、マッハツェンダー変調器（ボンディングパッドを除く）集積密度を高め、チップ面積を削減します。第二に、積層電極設計により端子抵抗が不要となり、デバイスの静電容量とビットあたりのエネルギー消費量を削減します。第三に、キャリア抑制機能により伝送電力の削減が最大化され、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く（30ナノメートル以上）、マイクロ波変調器（MRM）の共振を安定化および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るため、設計が簡素化されます。
この小型で効率的なIQ変調器は、データセンターにおける次世代の多チャンネル小型コヒーレントトランシーバーに最適であり、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。
キャリア抑制型シリコンIQ変調器は、20% SD-FEC条件下で最大150 Gb/sのデータ伝送速度を実現する優れた性能を発揮します。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、設計の簡便性において大きな利点があります。この変調器は光キャリアを抑制または調整する機能を備えており、コヒーレント検出やクレーマー・クローニッヒ（KK）検出方式と統合することで、マルチライン小型コヒーレントトランシーバーを実現できます。これらの成果は、データセンターをはじめとする様々な分野における大容量データ通信への高まる需要に応える、高度に集積化された高効率光トランシーバーの実現を推進するものです。