ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบซิลิกอนขนาดกะทัดรัดตัวปรับไอคิวเพื่อการสื่อสารที่รวดเร็วและสอดคล้องกัน
ความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นสำหรับอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นและเครื่องส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้นในศูนย์ข้อมูลได้ผลักดันการพัฒนาเครื่องรับส่งสัญญาณประสิทธิภาพสูงแบบกะทัดรัดตัวปรับแสงเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอน (SiPh) ได้กลายเป็นแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มดีสำหรับการผสานรวมส่วนประกอบโฟโตนิกส์ต่างๆ ไว้ในชิปตัวเดียว ซึ่งช่วยให้สามารถนำเสนอโซลูชันที่กะทัดรัดและคุ้มต้นทุน บทความนี้จะสำรวจโมดูเลเตอร์ IQ ซิลิกอนที่ป้องกันตัวพาแบบใหม่ที่ใช้ GeSi EAM ซึ่งสามารถทำงานที่ความถี่สูงสุด 75 Gbaud
การออกแบบและคุณลักษณะของอุปกรณ์
ตัวปรับโมดูเลเตอร์ IQ ที่เสนอใช้โครงสร้างสามแขนที่กะทัดรัด ดังแสดงในรูปที่ 1 (a) ประกอบด้วย GeSi EAM สามตัวและตัวเลื่อนเฟสเทอร์โมออปติกสามตัว โดยใช้การกำหนดค่าแบบสมมาตร แสงอินพุตจะเชื่อมต่อเข้ากับชิปผ่านตัวต่อแบบกริด (GC) และแบ่งเท่าๆ กันเป็นสามเส้นทางผ่านอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์มัลติโหมด 1×3 (MMI) หลังจากผ่านตัวปรับโมดูเลเตอร์และตัวเลื่อนเฟสแล้ว แสงจะถูกรวมเข้าด้วยกันอีกครั้งโดย MMI 1×3 อีกตัว จากนั้นจึงเชื่อมต่อกับไฟเบอร์โหมดเดียว (SSMF)
รูปที่ 1: (ก) ภาพจุลทรรศน์ของตัวปรับ IQ; (ข) – (ง) EO S21 สเปกตรัมอัตราส่วนการสูญพันธุ์ และการส่งผ่านของ GeSi EAM ตัวเดียว; (จ) แผนผังของตัวปรับ IQ และเฟสออปติกที่สอดคล้องกันของตัวเลื่อนเฟส; (ฉ) การแสดงการระงับตัวพาบนระนาบเชิงซ้อน ตามที่แสดงในรูปที่ 1 (ข) GeSi EAM มีแบนด์วิดท์อิเล็กโทรออปติกกว้าง รูปที่ 1 (ข) วัดค่าพารามิเตอร์ S21 ของโครงสร้างทดสอบ GeSi EAM ตัวเดียวโดยใช้เครื่องวิเคราะห์ส่วนประกอบออปติก (LCA) ความถี่ 67 GHz รูปที่ 1 (ค) และ 1 (ง) แสดงสเปกตรัมอัตราส่วนการสูญพันธุ์แบบสถิต (ER) ที่แรงดันไฟฟ้า DC ต่างๆ และการส่งผ่านที่ความยาวคลื่น 1,555 นาโนเมตรตามลำดับ
ตามที่แสดงในรูปที่ 1 (e) คุณลักษณะหลักของการออกแบบนี้คือความสามารถในการระงับสัญญาณพาหะออปติคัลโดยการปรับตัวเลื่อนเฟสที่รวมไว้ในแขนกลาง เฟสต่างระหว่างแขนบนและแขนล่างคือ π/2 ซึ่งใช้สำหรับการปรับจูนที่ซับซ้อน ในขณะที่เฟสต่างระหว่างแขนกลางคือ -3 π/4 การกำหนดค่านี้ช่วยให้เกิดการรบกวนแบบทำลายล้างกับสัญญาณพาหะได้ ดังที่แสดงในระนาบเชิงซ้อนของรูปที่ 1 (f)
การตั้งค่าการทดลองและผลลัพธ์
การตั้งค่าการทดลองความเร็วสูงแสดงไว้ในรูปที่ 2 (a) เครื่องกำเนิดสัญญาณรูปคลื่นตามอำเภอใจ (Keysight M8194A) ถูกใช้เป็นแหล่งสัญญาณ และเครื่องขยายสัญญาณ RF ที่จับคู่เฟส 60 GHz จำนวน 2 เครื่อง (พร้อมตัวต่อไบอัสในตัว) ถูกใช้เป็นไดรเวอร์โมดูเลเตอร์ แรงดันไบอัสของ GeSi EAM คือ -2.5 V และใช้สายเคเบิล RF ที่จับคู่เฟสเพื่อลดความไม่ตรงกันของเฟสไฟฟ้าระหว่างช่อง I และ Q
รูปที่ 2: (ก) การตั้งค่าการทดลองความเร็วสูง (ข) การระงับสัญญาณพาหะที่ 70 Gbaud (ค) อัตราข้อผิดพลาดและอัตราข้อมูล (ง) คอนสเตลเลชั่นที่ 70 Gbaud ใช้เลเซอร์โพรงภายนอกเชิงพาณิชย์ (ECL) ที่มีความกว้างของเส้น 100 kHz ความยาวคลื่น 1555 nm และกำลัง 12 dBm เป็นสัญญาณพาหะออปติก หลังจากมอดูเลตแล้ว สัญญาณออปติกจะถูกขยายโดยใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโดปเออร์เบียม(EDFA) เพื่อชดเชยการสูญเสียการเชื่อมโยงบนชิปและการสูญเสียการแทรกตัวปรับเปลี่ยน
ที่ปลายทางรับ เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมออปติคัล (OSA) จะตรวจสอบสเปกตรัมสัญญาณและการระงับสัญญาณพาหะตามที่แสดงในรูปที่ 2 (b) สำหรับสัญญาณ 70 Gbaud ใช้เครื่องรับแบบโคฮีเรนต์โพลาไรเซชันคู่เพื่อรับสัญญาณ ซึ่งประกอบด้วยมิกเซอร์ออปติคัล 90 องศาและสี่ตัวโฟโตไดโอดสมดุล 40 GHzและเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคปแบบเรียลไทม์ 33 GHz, 80 GSa/s (RTO) (Keysight DSOZ634A) แหล่ง ECL ที่สองที่มีความกว้างของเส้น 100 kHz ใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่ (LO) เนื่องจากเครื่องส่งสัญญาณทำงานภายใต้เงื่อนไขโพลาไรเซชันเดียว จึงใช้ช่องสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์เพียงสองช่องสำหรับการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ข้อมูลจะถูกบันทึกบน RTO และประมวลผลโดยใช้โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัลออฟไลน์ (DSP)
ตามที่แสดงในรูปที่ 2 (c) ตัวปรับสัญญาณ IQ ได้รับการทดสอบโดยใช้รูปแบบการปรับสัญญาณ QPSK จาก 40 Gbaud ถึง 75 Gbaud ผลลัพธ์ระบุว่าภายใต้เงื่อนไขการแก้ไขความผิดพลาดในการตัดสินใจแบบฮาร์ด 7% (HD-FEC) อัตราสามารถไปถึง 140 Gb/s ภายใต้เงื่อนไขการแก้ไขความผิดพลาดในการตัดสินใจแบบซอฟท์ 20% (SD-FEC) ความเร็วสามารถไปถึง 150 Gb/s ไดอะแกรมกลุ่มดาวที่ 70 Gbaud แสดงในรูปที่ 2 (d) ผลลัพธ์ถูกจำกัดด้วยแบนด์วิดท์ของออสซิลโลสโคปที่ 33 GHz ซึ่งเทียบเท่ากับแบนด์วิดท์สัญญาณประมาณ 66 Gbaud
ตามที่แสดงในรูปที่ 2 (b) โครงสร้างแขนสามแขนสามารถระงับสัญญาณพาหะออปติกที่มีอัตราการปิดกั้นสัญญาณเกิน 30 เดซิเบลได้อย่างมีประสิทธิภาพ โครงสร้างนี้ไม่จำเป็นต้องระงับสัญญาณพาหะทั้งหมด และยังสามารถใช้ในเครื่องรับที่ต้องการโทนสัญญาณพาหะเพื่อกู้คืนสัญญาณ เช่น เครื่องรับ Kramer Kronig (KK) สามารถปรับสัญญาณพาหะได้ผ่านตัวเลื่อนเฟสแขนกลางเพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณพาหะต่อแถบข้าง (CSR) ที่ต้องการ
ข้อดีและการใช้งาน
เมื่อเปรียบเทียบกับโมดูเลเตอร์ Mach Zehnder แบบดั้งเดิม (โมดูเลเตอร์ MZM) และโมดูเลเตอร์ IQ ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนอื่นๆ โมดูเลเตอร์ IQ ซิลิกอนที่เสนอนี้มีข้อดีหลายประการ ประการแรกคือมีขนาดกะทัดรัด เล็กกว่าโมดูเลเตอร์ IQ ที่ใช้ซิลิกอนมากกว่า 10 เท่าโมดูเลเตอร์ Mach Zehnder(ไม่รวมแผ่นยึด) ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของการรวมและลดพื้นที่ชิป ประการที่สอง การออกแบบอิเล็กโทรดแบบซ้อนไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานขั้วต่อ จึงลดความจุของอุปกรณ์และพลังงานต่อบิต ประการที่สาม ความสามารถในการระงับสัญญาณพาหะช่วยเพิ่มการลดพลังงานในการส่งให้สูงสุด ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานให้ดียิ่งขึ้น
นอกจากนี้ แบนด์วิดท์ออปติคอลของ GeSi EAM ยังกว้างมาก (มากกว่า 30 นาโนเมตร) ซึ่งทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้วงจรควบคุมข้อเสนอแนะหลายช่องและโปรเซสเซอร์เพื่อทำให้การสั่นพ้องของโมดูเลเตอร์ไมโครเวฟ (MRM) เสถียรและซิงโครไนซ์ จึงทำให้การออกแบบง่ายขึ้น
โมดูเลเตอร์ IQ แบบกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องรับส่งสัญญาณแบบช่องสัญญาณจำนวนมากรุ่นใหม่ และเครื่องส่งสัญญาณที่มีความสอดคล้องกันขนาดเล็กในศูนย์ข้อมูล ช่วยให้มีความจุที่สูงขึ้นและการสื่อสารแบบออปติกที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้น
โมดูเลเตอร์ IQ ซิลิคอนที่ป้องกันสัญญาณพาหะแสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม โดยมีอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดถึง 150 Gb/s ภายใต้เงื่อนไข 20% SD-FEC โครงสร้าง 3 แขนที่กะทัดรัดซึ่งใช้ GeSi EAM มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในแง่ของขนาด ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความเรียบง่ายในการออกแบบ โมดูเลเตอร์นี้มีความสามารถในการระงับหรือปรับสัญญาณพาหะออปติก และสามารถผสานรวมกับการตรวจจับแบบสอดคล้องและโครงร่างการตรวจจับ Kramer Kronig (KK) สำหรับทรานซีฟเวอร์แบบสอดคล้องขนาดกะทัดรัดหลายบรรทัด ความสำเร็จที่แสดงให้เห็นเป็นแรงผลักดันให้เกิดการสร้างทรานซีฟเวอร์ออปติกที่บูรณาการสูงและมีประสิทธิภาพสูงเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการสื่อสารข้อมูลความจุสูงในศูนย์ข้อมูลและสาขาอื่นๆ
เวลาโพสต์ : 21 ม.ค. 2568