हाय-स्पीड सुसंगत संप्रेषणासाठी कॉम्पॅक्ट सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक आयक्यू मॉड्युलेटर

कॉम्पॅक्ट सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिकआयक्यू मॉड्युलेटरउच्च-गती सुसंगत संप्रेषणासाठी
डेटा सेंटर्समध्ये उच्च डेटा ट्रान्समिशन दर आणि अधिक ऊर्जा-कार्यक्षम ट्रान्सीव्हर्सची वाढती मागणी यामुळे कॉम्पॅक्ट उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या ट्रान्सीव्हर्सचा विकास झाला आहे.ऑप्टिकल मॉड्युलेटर. सिलिकॉन आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तंत्रज्ञान (SiPh) हे एकाच चिपवर विविध फोटोनिक घटक एकत्रित करण्यासाठी एक आशादायक व्यासपीठ बनले आहे, ज्यामुळे कॉम्पॅक्ट आणि किफायतशीर उपाय शक्य होतात. हा लेख GeSi EAMs वर आधारित एक नवीन कॅरियर सप्रेस्ड सिलिकॉन IQ मॉड्युलेटरचा शोध घेईल, जो 75 Gbaud पर्यंतच्या वारंवारतेवर ऑपरेट करू शकतो.
डिव्हाइस डिझाइन आणि वैशिष्ट्ये
प्रस्तावित आयक्यू मॉड्युलेटर आकृती १ (अ) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे कॉम्पॅक्ट तीन आर्म स्ट्रक्चर स्वीकारतो. तीन GeSi EAM आणि तीन थर्मो ऑप्टिकल फेज शिफ्टर्सपासून बनलेला, सममितीय कॉन्फिगरेशन स्वीकारतो. इनपुट लाईट एका ग्रेटिंग कप्लर (GC) द्वारे चिपमध्ये जोडला जातो आणि 1×3 मल्टीमोड इंटरफेरोमीटर (MMI) द्वारे तीन मार्गांमध्ये समान रीतीने विभागला जातो. मॉड्युलेटर आणि फेज शिफ्टरमधून गेल्यानंतर, लाईट दुसऱ्या 1×3 MMI द्वारे पुन्हा एकत्रित केली जाते आणि नंतर सिंगल-मोड फायबर (SSMF) मध्ये जोडली जाते.

आकृती १: (अ) आयक्यू मॉड्युलेटरची सूक्ष्म प्रतिमा; (ब) – (ड) ईओ एस२१, एकल GeSi EAM चे विलोपन गुणोत्तर स्पेक्ट्रम आणि प्रसारण; (ई) आयक्यू मॉड्युलेटरचे योजनाबद्ध आकृती आणि फेज शिफ्टरच्या संबंधित ऑप्टिकल फेज; (फ) कॉम्प्लेक्स प्लेनवर कॅरियर सप्रेशन प्रतिनिधित्व. आकृती १ (ब) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, GeSi EAM मध्ये विस्तृत इलेक्ट्रो-ऑप्टिक बँडविड्थ आहे. आकृती १ (ब) ने ६७ GHz ऑप्टिकल घटक विश्लेषक (LCA) वापरून एका एकल GeSi EAM चाचणी संरचनेचे S21 पॅरामीटर मोजले. आकृती १ (क) आणि १ (ड) अनुक्रमे वेगवेगळ्या DC व्होल्टेजवर स्थिर विलोपन गुणोत्तर (ER) स्पेक्ट्रा आणि १५५५ नॅनोमीटरच्या तरंगलांबीवर प्रसारण दर्शवितात.
आकृती १ (ई) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, या डिझाइनचे मुख्य वैशिष्ट्य म्हणजे मधल्या हातातील एकात्मिक फेज शिफ्टर समायोजित करून ऑप्टिकल कॅरियर्सना दाबण्याची क्षमता. वरच्या आणि खालच्या हातांमधील फेज फरक π/2 आहे, जो जटिल ट्यूनिंगसाठी वापरला जातो, तर मधल्या हातातील फेज फरक -3 π/4 आहे. हे कॉन्फिगरेशन वाहकाला विनाशकारी हस्तक्षेप करण्यास अनुमती देते, जसे की आकृती १ (एफ) च्या जटिल समतलात दाखवले आहे.
प्रायोगिक सेटअप आणि निकाल
हाय-स्पीड प्रायोगिक सेटअप आकृती 2 (a) मध्ये दर्शविला आहे. सिग्नल स्रोत म्हणून एक अनियंत्रित वेव्हफॉर्म जनरेटर (Keysight M8194A) वापरला जातो आणि दोन 60 GHz फेज मॅच केलेले RF अॅम्प्लिफायर (इंटिग्रेटेड बायस टीजसह) मॉड्युलेटर ड्रायव्हर्स म्हणून वापरले जातात. GeSi EAM चा बायस व्होल्टेज -2.5 V आहे आणि I आणि Q चॅनेलमधील इलेक्ट्रिकल फेज मिसमेल कमी करण्यासाठी फेज मॅच केलेले RF केबल वापरले जाते.
आकृती २: (अ) हाय स्पीड प्रायोगिक सेटअप, (ब) ७० Gbaud वर कॅरियर सप्रेशन, (क) एरर रेट आणि डेटा रेट, (ड) ७० Gbaud वर कॉन्स्टेलेशन. ऑप्टिकल कॅरियर म्हणून १०० kHz लाइनविड्थ, १५५५ nm ची तरंगलांबी आणि १२ dBm पॉवर असलेला कमर्शियल एक्सटर्नल कॅव्हिटी लेसर (ECL) वापरा. ​​मॉड्युलेशननंतर, ऑप्टिकल सिग्नल एका वापरून अॅम्प्लीफाय केला जातो.एर्बियम-डोपेड फायबर अॅम्प्लिफायर(EDFA) ऑन-चिप कपलिंग लॉस आणि मॉड्युलेटर इन्सर्शन लॉसची भरपाई करण्यासाठी.
रिसीव्हिंग एंडवर, एक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम अॅनालायझर (OSA) सिग्नल स्पेक्ट्रम आणि कॅरियर सप्रेशनचे निरीक्षण करतो, जसे की आकृती 2 (b) मध्ये 70 Gbaud सिग्नलसाठी दाखवले आहे. सिग्नल प्राप्त करण्यासाठी दुहेरी ध्रुवीकरण सुसंगत रिसीव्हर वापरा, ज्यामध्ये 90 अंश ऑप्टिकल मिक्सर आणि चार असतात४० GHz संतुलित फोटोडायोड्स, आणि 33 GHz, 80 GSa/s रिअल-टाइम ऑसिलोस्कोप (RTO) (Keysight DSOZ634A) शी जोडलेले आहे. 100 kHz च्या लाइनविड्थसह दुसरा ECL स्रोत स्थानिक ऑसिलेटर (LO) म्हणून वापरला जातो. एकल ध्रुवीकरण परिस्थितीत कार्यरत ट्रान्समीटरमुळे, अॅनालॉग-टू-डिजिटल रूपांतरण (ADC) साठी फक्त दोन इलेक्ट्रॉनिक चॅनेल वापरले जातात. डेटा RTO वर रेकॉर्ड केला जातो आणि ऑफलाइन डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (DSP) वापरून प्रक्रिया केली जाते.
आकृती २ (c) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, ४० Gbaud ते ७५ Gbaud पर्यंत QPSK मॉड्युलेशन फॉरमॅट वापरून IQ मॉड्युलेटरची चाचणी घेण्यात आली. निकालांवरून असे दिसून येते की ७% हार्ड डिसिजन फॉरवर्ड एरर करेक्शन (HD-FEC) परिस्थितीत, दर १४० Gb/s पर्यंत पोहोचू शकतो; २०% सॉफ्ट डिसिजन फॉरवर्ड एरर करेक्शन (SD-FEC) परिस्थितीत, वेग १५० Gb/s पर्यंत पोहोचू शकतो. ७० Gbaud वरील नक्षत्र आकृती आकृती २ (d) मध्ये दाखवली आहे. परिणाम ३३ GHz च्या ऑसिलोस्कोप बँडविड्थने मर्यादित आहे, जो अंदाजे ६६ Gbaud च्या सिग्नल बँडविड्थच्या समतुल्य आहे.

आकृती २ (ब) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, तीन आर्म स्ट्रक्चर ३० डीबी पेक्षा जास्त ब्लँकिंग रेटसह ऑप्टिकल कॅरियर्सना प्रभावीपणे दाबू शकते. या स्ट्रक्चरला कॅरियरचे पूर्ण सप्रेशन आवश्यक नसते आणि क्रॅमर क्रोनिग (केके) रिसीव्हर्स सारख्या सिग्नल रिकव्हर करण्यासाठी कॅरियर टोनची आवश्यकता असलेल्या रिसीव्हर्समध्ये देखील वापरले जाऊ शकते. इच्छित कॅरियर ते साइडबँड रेशो (सीएसआर) साध्य करण्यासाठी कॅरियरला सेंट्रल आर्म फेज शिफ्टरद्वारे समायोजित केले जाऊ शकते.
फायदे आणि अनुप्रयोग
पारंपारिक मॅक झेंडर मॉड्युलेटरच्या तुलनेत (MZM मॉड्युलेटर) आणि इतर सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक आयक्यू मॉड्युलेटर, प्रस्तावित सिलिकॉन आयक्यू मॉड्युलेटरचे अनेक फायदे आहेत. प्रथम, ते आकाराने कॉम्पॅक्ट आहे, आयक्यू मॉड्युलेटरपेक्षा 10 पट लहान आहे ज्यावर आधारित आहेमॅक झेंडर मॉड्युलेटर(बॉन्डिंग पॅड्स वगळून), त्यामुळे इंटिग्रेशन डेन्सिटी वाढते आणि चिप एरिया कमी होतो. दुसरे म्हणजे, स्टॅक केलेल्या इलेक्ट्रोड डिझाइनला टर्मिनल रेझिस्टर्सचा वापर करण्याची आवश्यकता नसते, ज्यामुळे डिव्हाइस कॅपेसिटन्स आणि प्रति बिट ऊर्जा कमी होते. तिसरे म्हणजे, कॅरियर सप्रेशन क्षमता ट्रान्समिशन पॉवरमध्ये जास्तीत जास्त कपात करते, ज्यामुळे ऊर्जा कार्यक्षमता आणखी सुधारते.
याव्यतिरिक्त, GeSi EAM ची ऑप्टिकल बँडविड्थ खूप विस्तृत आहे (३० नॅनोमीटरपेक्षा जास्त), ज्यामुळे मायक्रोवेव्ह मॉड्युलेटर (MRM) च्या रेझोनान्सला स्थिर आणि सिंक्रोनाइझ करण्यासाठी मल्टी-चॅनल फीडबॅक कंट्रोल सर्किट्स आणि प्रोसेसरची आवश्यकता नाहीशी होते, ज्यामुळे डिझाइन सोपे होते.
हे कॉम्पॅक्ट आणि कार्यक्षम आयक्यू मॉड्युलेटर पुढील पिढीसाठी, उच्च चॅनेल संख्या आणि डेटा सेंटरमधील लहान सुसंगत ट्रान्सीव्हर्ससाठी अत्यंत योग्य आहे, ज्यामुळे उच्च क्षमता आणि अधिक ऊर्जा-कार्यक्षम ऑप्टिकल कम्युनिकेशन शक्य होते.
कॅरियर सप्रेस्ड सिलिकॉन आयक्यू मॉड्युलेटर उत्कृष्ट कामगिरी दाखवतो, २०% एसडी-एफईसी परिस्थितीत १५० जीबी/सेकंद पर्यंत डेटा ट्रान्समिशन रेटसह. GeSi EAM वर आधारित त्याची कॉम्पॅक्ट ३-आर्म स्ट्रक्चर फूटप्रिंट, ऊर्जा कार्यक्षमता आणि डिझाइन साधेपणाच्या बाबतीत महत्त्वपूर्ण फायदे देते. या मॉड्युलेटरमध्ये ऑप्टिकल कॅरियर दाबण्याची किंवा समायोजित करण्याची क्षमता आहे आणि मल्टी लाइन कॉम्पॅक्ट कोहेरंट ट्रान्ससीव्हर्ससाठी कोहेरंट डिटेक्शन आणि क्रॅमर क्रोनिग (केके) डिटेक्शन स्कीमसह एकत्रित केले जाऊ शकते. प्रदर्शित केलेल्या कामगिरीमुळे डेटा सेंटर्स आणि इतर क्षेत्रांमध्ये उच्च-क्षमतेच्या डेटा कम्युनिकेशनची वाढती मागणी पूर्ण करण्यासाठी अत्यंत एकात्मिक आणि कार्यक्षम ऑप्टिकल ट्रान्ससीव्हर्सची प्राप्ती होते.