อุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกขนาดกะทัดรัดที่ใช้ซิลิคอนเป็นพื้นฐานตัวปรับไอคิวสำหรับการสื่อสารแบบโคherent ความเร็วสูง
ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นและทรานซีฟเวอร์ที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้นในศูนย์ข้อมูล ได้ผลักดันให้เกิดการพัฒนาทรานซีฟเวอร์ขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูงตัวปรับสัญญาณแสงเทคโนโลยีอิเล็กโทรออปติกส์บนพื้นฐานซิลิคอน (SiPh) ได้กลายเป็นแพลตฟอร์มที่มีศักยภาพสำหรับการรวมส่วนประกอบโฟโตนิกส์ต่างๆ เข้าไว้ในชิปเดียว ทำให้สามารถสร้างโซลูชันที่กะทัดรัดและคุ้มค่า บทความนี้จะสำรวจตัวปรับสัญญาณ IQ บนซิลิคอนแบบลดการปล่อยพาหะแบบใหม่ที่ใช้ GeSi EAMs ซึ่งสามารถทำงานได้ที่ความถี่สูงถึง 75 Gbaud
การออกแบบและคุณลักษณะของอุปกรณ์
ตัวปรับสัญญาณ IQ ที่เสนอใช้โครงสร้างแบบสามแขนขนาดกะทัดรัด ดังแสดงในรูปที่ 1 (ก) ประกอบด้วย GeSi EAM สามตัวและตัวเปลี่ยนเฟสแบบเทอร์โมออปติกสามตัว โดยใช้การจัดเรียงแบบสมมาตร แสงขาเข้าจะถูกส่งเข้าสู่ชิปผ่านตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรง (GC) และแบ่งออกเป็นสามเส้นทางอย่างเท่าๆ กันผ่านตัวแทรกสอดแบบมัลติโหมด 1×3 (MMI) หลังจากผ่านตัวปรับสัญญาณและตัวเปลี่ยนเฟสแล้ว แสงจะถูกรวมเข้าด้วยกันอีกครั้งโดย MMI 1×3 อีกตัวหนึ่ง จากนั้นจึงส่งไปยังใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดียว (SSMF)
รูปที่ 1: (a) ภาพจุลภาคของตัวปรับสัญญาณ IQ; (b) – (d) EO S21 สเปกตรัมอัตราส่วนการลดทอน และการส่งผ่านของ GeSi EAM เดี่ยว; (e) แผนภาพโครงร่างของตัวปรับสัญญาณ IQ และเฟสแสงที่สอดคล้องกันของตัวเปลี่ยนเฟส; (f) การแสดงการลดทอนของตัวพาบนระนาบเชิงซ้อน ดังแสดงในรูปที่ 1 (b) GeSi EAM มีแบนด์วิดท์ทางไฟฟ้าเชิงแสงกว้าง รูปที่ 1 (b) วัดพารามิเตอร์ S21 ของโครงสร้างทดสอบ GeSi EAM เดี่ยวโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ส่วนประกอบทางแสง (LCA) 67 GHz รูปที่ 1 (c) และ 1 (d) แสดงสเปกตรัมอัตราส่วนการลดทอน (ER) แบบคงที่ที่แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงต่างๆ และการส่งผ่านที่ความยาวคลื่น 1555 นาโนเมตร ตามลำดับ
ดังแสดงในรูปที่ 1 (e) คุณสมบัติหลักของการออกแบบนี้คือความสามารถในการระงับคลื่นพาหะแสงโดยการปรับตัวเปลี่ยนเฟสแบบรวมในแขนตรงกลาง ความแตกต่างของเฟสระหว่างแขนบนและแขนล่างคือ π/2 ซึ่งใช้สำหรับการปรับจูนเชิงซ้อน ในขณะที่ความแตกต่างของเฟสระหว่างแขนตรงกลางคือ -3 π/4 การกำหนดค่านี้ช่วยให้เกิดการรบกวนแบบหักล้างกับคลื่นพาหะ ดังแสดงในระนาบเชิงซ้อนของรูปที่ 1 (f)
การจัดเตรียมการทดลองและผลลัพธ์
ชุดอุปกรณ์ทดลองความเร็วสูงแสดงในรูปที่ 2 (ก) ใช้เครื่องกำเนิดรูปคลื่นแบบกำหนดเอง (Keysight M8194A) เป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณ และใช้เครื่องขยายสัญญาณ RF แบบจับคู่เฟส 60 GHz สองตัว (พร้อมไบแอสทีในตัว) เป็นตัวขับโมดูเลเตอร์ แรงดันไบแอสของ GeSi EAM คือ -2.5 V และใช้สายเคเบิล RF แบบจับคู่เฟสเพื่อลดความคลาดเคลื่อนของเฟสทางไฟฟ้าให้น้อยที่สุดระหว่างช่องสัญญาณ I และ Q
รูปที่ 2: (a) ชุดอุปกรณ์ทดลองความเร็วสูง, (b) การระงับคลื่นพาหะที่ 70 Gbaud, (c) อัตราความผิดพลาดและอัตราข้อมูล, (d) แผนภาพกลุ่มจุดสัญญาณที่ 70 Gbaud ใช้เลเซอร์โพรงภายนอกเชิงพาณิชย์ (ECL) ที่มีแถบความกว้างของเส้นสเปกตรัม 100 kHz ความยาวคลื่น 1555 nm และกำลัง 12 dBm เป็นคลื่นพาหะแสง หลังจากทำการมอดูเลตแล้ว สัญญาณแสงจะถูกขยายโดยใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม(EDFA) เพื่อชดเชยการสูญเสียจากการเชื่อมต่อภายในชิปและการสูญเสียจากการแทรกตัวปรับสัญญาณ
ที่ฝั่งรับสัญญาณ เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมแสง (OSA) จะตรวจสอบสเปกตรัมของสัญญาณและการลดทอนคลื่นพาหะ ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) สำหรับสัญญาณ 70 Gbaud ใช้ตัวรับสัญญาณแบบโคherent สองขั้วเพื่อรับสัญญาณ ซึ่งประกอบด้วยตัวผสมแสง 90 องศาและสี่ตัวโฟโตไดโอดแบบบาลานซ์ 40 GHzและเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคปแบบเรียลไทม์ (RTO) ความถี่ 33 GHz ความเร็ว 80 GSa/s (Keysight DSOZ634A) แหล่งกำเนิด ECL ตัวที่สองที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัม 100 kHz ถูกใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ภายใน (LO) เนื่องจากตัวส่งสัญญาณทำงานภายใต้สภาวะโพลาไรเซชันเดี่ยว จึงใช้เพียงสองช่องสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ข้อมูลจะถูกบันทึกบน RTO และประมวลผลโดยใช้ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลแบบออฟไลน์ (DSP)
ดังแสดงในรูปที่ 2 (c) ได้ทำการทดสอบตัวปรับสัญญาณ IQ โดยใช้รูปแบบการมอดูเลชั่น QPSK ตั้งแต่ 40 Gbaud ถึง 75 Gbaud ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขการแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้าแบบตัดสินใจแข็ง (HD-FEC) 7% อัตราสามารถสูงถึง 140 Gb/s และภายใต้เงื่อนไขการแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้าแบบตัดสินใจอ่อน (SD-FEC) 20% ความเร็วสามารถสูงถึง 150 Gb/s แผนภาพกลุ่มจุดสัญญาณที่ 70 Gbaud แสดงในรูปที่ 2 (d) ผลลัพธ์ถูกจำกัดด้วยแบนด์วิดท์ของออสซิลโลสโคปที่ 33 GHz ซึ่งเทียบเท่ากับแบนด์วิดท์ของสัญญาณประมาณ 66 Gbaud
ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) โครงสร้างแขนสามแขนสามารถลดสัญญาณพาหะแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยอัตราการปิดกั้นที่เกิน 30 dB โครงสร้างนี้ไม่จำเป็นต้องลดสัญญาณพาหะทั้งหมด และยังสามารถใช้ในตัวรับสัญญาณที่ต้องการโทนเสียงพาหะเพื่อกู้คืนสัญญาณ เช่น ตัวรับสัญญาณ Kramer Kronig (KK) สามารถปรับสัญญาณพาหะได้ผ่านตัวเปลี่ยนเฟสของแขนกลางเพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณพาหะต่อแถบข้าง (CSR) ที่ต้องการ
ข้อดีและการประยุกต์ใช้
เมื่อเปรียบเทียบกับตัวปรับสัญญาณ Mach Zehnder แบบดั้งเดิม (ตัวปรับสัญญาณ MZMเมื่อเทียบกับตัวปรับสัญญาณ IQ แบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนชนิดอื่นๆ) และชนิดอื่นๆ ตัวปรับสัญญาณ IQ ที่ใช้ซิลิคอนที่เสนอมานี้มีข้อดีหลายประการ ประการแรก มีขนาดกะทัดรัด เล็กกว่าตัวปรับสัญญาณ IQ ที่ใช้ซิลิคอนชนิดอื่นๆ มากกว่า 10 เท่าตัวปรับสัญญาณ Mach Zehnder(ไม่รวมแผ่นเชื่อมต่อ) จึงช่วยเพิ่มความหนาแน่นของการรวมวงจรและลดพื้นที่ชิป ประการที่สอง การออกแบบอิเล็กโทรดแบบเรียงซ้อนไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานที่ขั้วต่อ จึงช่วยลดความจุของอุปกรณ์และพลังงานต่อบิต ประการที่สาม ความสามารถในการยับยั้งพาหะช่วยลดกำลังส่งให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานให้ดียิ่งขึ้น
นอกจากนี้ แบนด์วิดท์ทางแสงของ GeSi EAM ยังกว้างมาก (มากกว่า 30 นาโนเมตร) ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้วงจรควบคุมป้อนกลับแบบหลายช่องสัญญาณและตัวประมวลผลเพื่อรักษาเสถียรภาพและซิงโครไนซ์การสั่นพ้องของตัวปรับสัญญาณไมโครเวฟ (MRM) ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของการออกแบบ
ตัวปรับสัญญาณ IQ ขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูงนี้ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับทรานซีฟเวอร์แบบโคฮีเรนต์ขนาดเล็กและมีจำนวนช่องสัญญาณสูงรุ่นใหม่ในศูนย์ข้อมูล ช่วยให้การสื่อสารด้วยแสงมีความจุสูงขึ้นและประหยัดพลังงานมากขึ้น
ตัวปรับสัญญาณ IQ ซิลิคอนแบบระงับคลื่นพาหะแสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ด้วยอัตราการส่งข้อมูลสูงถึง 150 Gb/s ภายใต้เงื่อนไข SD-FEC 20% โครงสร้าง 3 แขนขนาดกะทัดรัดที่ใช้ GeSi EAM มีข้อดีอย่างมากในแง่ของขนาดพื้นที่ ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความเรียบง่ายในการออกแบบ ตัวปรับสัญญาณนี้มีความสามารถในการระงับหรือปรับคลื่นพาหะแสง และสามารถบูรณาการเข้ากับระบบตรวจจับแบบโคฮีเรนต์และระบบตรวจจับ Kramer Kronig (KK) สำหรับตัวรับส่งสัญญาณแบบโคฮีเรนต์ขนาดกะทัดรัดหลายสาย ความสำเร็จที่แสดงให้เห็นนี้ผลักดันให้เกิดการสร้างตัวรับส่งสัญญาณแสงที่มีประสิทธิภาพสูงและบูรณาการสูง เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการสื่อสารข้อมูลความจุสูงในศูนย์ข้อมูลและสาขาอื่นๆ
วันที่เผยแพร่: 21 มกราคม 2568