ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบซิลิคอนขนาดกะทัดรัดตัวปรับไอคิวเพื่อการสื่อสารที่รวดเร็วและสอดคล้องกัน
ความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นสำหรับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นและตัวรับส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้นในศูนย์ข้อมูลได้ผลักดันการพัฒนาอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูงแบบกะทัดรัดตัวปรับแสงเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอน (SiPh) ได้กลายเป็นแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มดีสำหรับการผสานรวมส่วนประกอบโฟโตนิกส์ต่างๆ ไว้ในชิปตัวเดียว ทำให้เกิดโซลูชันที่กะทัดรัดและคุ้มค่า บทความนี้จะสำรวจตัวปรับสัญญาณ IQ ซิลิคอนแบบป้องกันคลื่นพาหะตัวใหม่ที่ใช้ GeSi EAMs ซึ่งสามารถทำงานที่ความถี่สูงสุด 75 Gbaud
การออกแบบและคุณลักษณะของอุปกรณ์
ตัวปรับสัญญาณ IQ ที่นำเสนอใช้โครงสร้างแบบสามแขนขนาดกะทัดรัด ดังแสดงในรูปที่ 1 (a) ประกอบด้วย GeSi EAM สามตัวและตัวเลื่อนเฟสเทอร์โมออปติกสามตัว ซึ่งมีโครงสร้างแบบสมมาตร แสงขาเข้าจะถูกเชื่อมต่อเข้ากับชิปผ่านตัวต่อแบบเกรตติง (GC) และแบ่งออกเป็นสามเส้นทางอย่างสม่ำเสมอผ่านอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบมัลติโหมด 1×3 (MMI) หลังจากผ่านตัวปรับสัญญาณและตัวเลื่อนเฟสแล้ว แสงจะถูกรวมเข้าด้วยกันอีกครั้งโดย MMI 1×3 อีกตัวหนึ่ง แล้วจึงเชื่อมต่อกับเส้นใยโหมดเดี่ยว (SSMF)
รูปที่ 1: (ก) ภาพจุลทรรศน์ของตัวปรับสัญญาณ IQ; (ข) – (ง) EO S21, สเปกตรัมอัตราส่วนการสูญพันธุ์ และค่าการส่งผ่านของ GeSi EAM เดี่ยว; (จ) แผนผังของตัวปรับสัญญาณ IQ และเฟสออปติคัลที่สอดคล้องกันของตัวเลื่อนเฟส; (ฉ) การแสดงภาพการระงับคลื่นพาหะบนระนาบเชิงซ้อน ดังแสดงในรูปที่ 1 (ข) GeSi EAM มีแบนด์วิดท์อิเล็กโทรออปติกกว้าง รูปที่ 1 (ข) วัดค่าพารามิเตอร์ S21 ของโครงสร้างทดสอบ GeSi EAM เดี่ยวโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ส่วนประกอบออปติคัล (LCA) ความถี่ 67 GHz รูปที่ 1 (ค) และ 1 (ง) แสดงสเปกตรัมอัตราส่วนการสูญพันธุ์สถิต (ER) ที่แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงต่างๆ และการส่งผ่านที่ความยาวคลื่น 1555 นาโนเมตรตามลำดับ
ดังที่แสดงในรูปที่ 1 (e) คุณสมบัติหลักของการออกแบบนี้คือความสามารถในการระงับสัญญาณพาหะแสงโดยการปรับตัวเลื่อนเฟสในตัวที่แขนกลาง ความแตกต่างของเฟสระหว่างแขนบนและแขนล่างคือ π/2 ซึ่งใช้สำหรับการปรับจูนที่ซับซ้อน ในขณะที่ความแตกต่างของเฟสระหว่างแขนกลางคือ -3 π/4 การกำหนดค่านี้ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนที่สร้างความเสียหายต่อสัญญาณพาหะ ดังที่แสดงในระนาบเชิงซ้อนของรูปที่ 1 (f)
การตั้งค่าการทดลองและผลลัพธ์
การติดตั้งอุปกรณ์การทดลองความเร็วสูงแสดงในรูปที่ 2 (a) โดยใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณรูปคลื่นใดก็ได้ (Keysight M8194A) เป็นแหล่งสัญญาณ และใช้เครื่องขยายสัญญาณ RF แบบจับคู่เฟส 60 GHz จำนวน 2 เครื่อง (พร้อมตัวต่อไบอัสในตัว) เป็นไดรเวอร์มอดูเลเตอร์ แรงดันไบอัสของ GeSi EAM อยู่ที่ -2.5 V และใช้สายเคเบิล RF แบบจับคู่เฟสเพื่อลดความไม่ตรงกันของเฟสไฟฟ้าระหว่างช่อง I และ Q
รูปที่ 2: (ก) การตั้งค่าการทดลองความเร็วสูง (ข) การระงับคลื่นพาหะที่ 70 กิกะบิต (ค) อัตราความผิดพลาดและอัตราข้อมูล (ง) คอนสเตลเลชันที่ 70 กิกะบิต ใช้เลเซอร์โพรงภายนอกเชิงพาณิชย์ (ECL) ที่มีความกว้างเส้น 100 กิโลเฮิรตซ์ ความยาวคลื่น 1555 นาโนเมตร และกำลัง 12 เดซิเบลเมตร เป็นคลื่นพาหะแสง หลังจากการมอดูเลต สัญญาณแสงจะถูกขยายโดยใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโด๊ปเออร์เบียม(EDFA) เพื่อชดเชยการสูญเสียการเชื่อมต่อบนชิปและการสูญเสียการแทรกตัวปรับเปลี่ยน
ที่ฝั่งรับ เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมออปติคัล (OSA) จะตรวจสอบสเปกตรัมสัญญาณและการระงับสัญญาณพาหะ ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) สำหรับสัญญาณ 70 กิกะบิต ใช้เครื่องรับแบบโคฮีเรนต์โพลาไรเซชันคู่เพื่อรับสัญญาณ ซึ่งประกอบด้วยมิกเซอร์ออปติคัล 90 องศาและตัวรับสี่ตัวโฟโตไดโอดสมดุล 40 GHzและเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคปแบบเรียลไทม์ความถี่ 33 GHz, 80 GSa/s (RTO) (Keysight DSOZ634A) แหล่งสัญญาณ ECL ตัวที่สองที่มีความกว้างของเส้นสัญญาณ 100 kHz ถูกใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น (LO) เนื่องจากเครื่องส่งสัญญาณทำงานภายใต้สภาวะโพลาไรเซชันเดียว จึงใช้ช่องสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์เพียงสองช่องสำหรับการแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ข้อมูลจะถูกบันทึกบน RTO และประมวลผลโดยใช้ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลแบบออฟไลน์ (DSP)
ดังแสดงในรูปที่ 2 (c) ตัวมอดูเลเตอร์ IQ ได้รับการทดสอบโดยใช้รูปแบบการมอดูเลต QPSK ตั้งแต่ 40 Gbaud ถึง 75 Gbaud ผลการทดสอบบ่งชี้ว่าภายใต้เงื่อนไขการแก้ไขข้อผิดพลาดการตัดสินใจล่วงหน้าแบบฮาร์ด (HD-FEC) 7% อัตราสามารถสูงถึง 140 Gb/s และภายใต้เงื่อนไขการแก้ไขข้อผิดพลาดการตัดสินใจล่วงหน้าแบบซอฟต์ (SD-FEC) 20% อัตราสามารถสูงถึง 150 Gb/s แผนภาพกลุ่มดาวที่ 70 Gbaud แสดงในรูปที่ 2 (d) ผลลัพธ์ถูกจำกัดด้วยแบนด์วิดท์ของออสซิลโลสโคปที่ 33 GHz ซึ่งเทียบเท่ากับแบนด์วิดท์สัญญาณประมาณ 66 Gbaud
ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) โครงสร้างแขนสามแขนสามารถระงับสัญญาณพาหะแสงที่มีอัตราการปิดสัญญาณเกิน 30 เดซิเบลได้อย่างมีประสิทธิภาพ โครงสร้างนี้ไม่จำเป็นต้องระงับสัญญาณพาหะทั้งหมด และยังสามารถนำไปใช้กับเครื่องรับที่ต้องการโทนสัญญาณพาหะเพื่อกู้คืนสัญญาณ เช่น เครื่องรับ Kramer Kronig (KK) สามารถปรับสัญญาณพาหะได้ผ่านตัวเลื่อนเฟสของแขนกลางเพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณพาหะต่อสัญญาณข้าง (CSR) ที่ต้องการ
ข้อดีและการประยุกต์ใช้
เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องปรับเสียง Mach Zehnder แบบดั้งเดิม (ตัวปรับสัญญาณ MZM) และตัวปรับสัญญาณ IQ แบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนอื่นๆ ตัวปรับสัญญาณ IQ ซิลิคอนที่นำเสนอนี้มีข้อดีหลายประการ ประการแรกคือมีขนาดกะทัดรัด เล็กกว่าตัวปรับสัญญาณ IQ ที่ใช้ซิลิคอนมากกว่า 10 เท่าเครื่องปรับเสียง Mach Zehnder(ไม่รวมแผ่นยึด) ซึ่งจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของการผสานรวมและลดพื้นที่ชิป ประการที่สอง การออกแบบอิเล็กโทรดแบบเรียงซ้อนไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานเทอร์มินัล จึงช่วยลดความจุของอุปกรณ์และพลังงานต่อบิต ประการที่สาม ความสามารถในการระงับสัญญาณพาหะช่วยเพิ่มการลดกำลังส่งให้สูงสุด ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงานอีกด้วย
นอกจากนี้ แบนด์วิดท์ออปติคัลของ GeSi EAM ยังกว้างมาก (มากกว่า 30 นาโนเมตร) จึงไม่จำเป็นต้องใช้วงจรควบคุมป้อนกลับแบบหลายช่องสัญญาณและโปรเซสเซอร์เพื่อรักษาเสถียรภาพและซิงโครไนซ์การสั่นพ้องของตัวปรับไมโครเวฟ (MRM) จึงทำให้การออกแบบง่ายขึ้น
ตัวปรับเปลี่ยน IQ แบบกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องรับส่งสัญญาณแบบช่องสัญญาณสูงรุ่นถัดไปและตัวรับส่งสัญญาณแบบสอดคล้องขนาดเล็กในศูนย์ข้อมูล ช่วยให้มีความจุที่สูงขึ้นและการสื่อสารแบบออปติกที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้น
โมดูเลเตอร์ IQ ซิลิคอนแบบป้องกันคลื่นพาหะนี้มีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ด้วยอัตราการส่งข้อมูลสูงสุด 150 Gb/s ภายใต้สภาวะ SD-FEC 20% โครงสร้าง 3 แขนขนาดกะทัดรัดที่พัฒนาจาก GeSi EAM มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านขนาดพื้นที่ ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความเรียบง่ายในการออกแบบ โมดูเลเตอร์นี้มีความสามารถในการป้องกันหรือปรับคลื่นพาหะแสง และสามารถผสานรวมกับระบบตรวจจับแบบโคฮีเรนต์และ Kramer Kronig (KK) สำหรับเครื่องรับส่งสัญญาณแบบโคฮีเรนต์ขนาดกะทัดรัดแบบหลายสาย ความสำเร็จที่แสดงให้เห็นนี้เป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาเครื่องรับส่งสัญญาณแสงแบบบูรณาการและมีประสิทธิภาพสูง เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการสื่อสารข้อมูลความจุสูงในศูนย์ข้อมูลและสาขาอื่นๆ
เวลาโพสต์: 21 ม.ค. 2568