소형 실리콘 기반 광전자 장치IQ 변조기고속 코히런트 통신을 위해
데이터 센터에서 더 높은 데이터 전송 속도와 에너지 효율이 뛰어난 송수신기에 대한 수요가 증가함에 따라 소형 고성능 송수신기 개발이 촉진되었습니다.광 변조기실리콘 기반 광전자 기술(SiPh)은 다양한 광자 부품을 단일 칩에 통합하여 소형화되고 비용 효율적인 솔루션을 구현할 수 있는 유망한 플랫폼으로 자리 잡았습니다. 본 논문에서는 최대 75Gbaud의 주파수에서 동작 가능한 GeSi EAM 기반의 새로운 캐리어 억제형 실리콘 IQ 변조기를 살펴봅니다.
장치 설계 및 특징
제안된 IQ 변조기는 그림 1(a)에 나타낸 바와 같이 소형의 3개 암 구조를 채택하고 있습니다. 이 구조는 3개의 GeSi EAM과 3개의 열광학 위상 변환기로 구성되며, 대칭적인 구성을 갖습니다. 입력광은 회절 격자 커플러(GC)를 통해 칩으로 결합되고, 1×3 다중 모드 간섭계(MMI)를 통해 3개의 경로로 균등하게 분배됩니다. 변조기와 위상 변환기를 통과한 후, 빛은 또 다른 1×3 MMI에 의해 재결합되어 단일 모드 광섬유(SSMF)에 결합됩니다.
그림 1: (a) IQ 변조기의 현미경 이미지; (b) – (d) 단일 GeSi EAM의 EO S21, 소멸비 스펙트럼 및 투과율; (e) IQ 변조기의 개략도 및 위상 변환기의 해당 광학 위상; (f) 복소 평면에서의 캐리어 억제 표현. 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이 GeSi EAM은 넓은 전기광학 대역폭을 가지고 있다. 그림 1(b)는 67GHz 광 부품 분석기(LCA)를 사용하여 단일 GeSi EAM 테스트 구조의 S21 파라미터를 측정한 것이다. 그림 1(c)와 1(d)는 각각 서로 다른 DC 전압에서의 정적 소멸비(ER) 스펙트럼과 1555나노미터 파장에서의 투과율을 나타낸다.
그림 1(e)에서 볼 수 있듯이, 이 설계의 주요 특징은 중간 암에 통합된 위상 변환기를 조정하여 광 캐리어를 억제할 수 있다는 점입니다. 위쪽 암과 아래쪽 암 사이의 위상차는 복소수 튜닝에 사용되는 π/2이고, 중간 암 사이의 위상차는 -3π/4입니다. 이러한 구성은 그림 1(f)의 복소 평면에서 볼 수 있듯이 캐리어에 대한 상쇄 간섭을 가능하게 합니다.
실험 설정 및 결과
고속 실험 장치는 그림 2(a)에 나타나 있다. 신호 소스로는 임의 파형 발생기(Keysight M8194A)를 사용하고, 변조기 구동기로는 위상 정합된 60GHz RF 증폭기 두 개(바이어스 티 내장)를 사용한다. GeSi EAM의 바이어스 전압은 -2.5V이며, I 채널과 Q 채널 간의 전기적 위상 불일치를 최소화하기 위해 위상 정합 RF 케이블을 사용한다.
그림 2: (a) 고속 실험 장치, (b) 70 Gbaud에서의 반송파 억제, (c) 오류율 및 데이터 전송률, (d) 70 Gbaud에서의 컨스텔레이션. 광 반송파로는 선폭 100 kHz, 파장 1555 nm, 출력 12 dBm의 상용 외부 공진 레이저(ECL)를 사용합니다. 변조 후, 광 신호는 증폭기를 사용하여 증폭됩니다.에르븀 도핑 섬유 증폭기(EDFA)는 온칩 커플링 손실 및 변조기 삽입 손실을 보상합니다.
수신단에서는 그림 2(b)에 나타낸 70Gbaud 신호의 경우와 같이 광 스펙트럼 분석기(OSA)가 신호 스펙트럼과 반송파 억제를 모니터링합니다. 신호 수신에는 90도 광 믹서와 4개의 편광판으로 구성된 이중 편광 코히런트 수신기를 사용합니다.40GHz 평형 포토다이오드이 송신기는 33GHz, 80GSa/s의 실시간 오실로스코프(RTO)(Keysight DSOZ634A)에 연결되어 있습니다. 100kHz의 선폭을 가진 두 번째 ECL 광원은 국부 발진기(LO)로 사용됩니다. 송신기가 단일 편파 조건에서 작동하기 때문에 아날로그-디지털 변환(ADC)에는 두 개의 전자 채널만 사용됩니다. 데이터는 RTO에 기록되고 오프라인 디지털 신호 처리기(DSP)를 사용하여 처리됩니다.
그림 2(c)에서 볼 수 있듯이, IQ 변조기는 40Gbaud에서 75Gbaud까지 QPSK 변조 방식을 사용하여 테스트되었습니다. 결과에 따르면, 7%의 하드 결정 순방향 오류 정정(HD-FEC) 조건에서 전송 속도는 140Gb/s에 도달할 수 있으며, 20%의 소프트 결정 순방향 오류 정정(SD-FEC) 조건에서는 150Gb/s에 도달할 수 있습니다. 70Gbaud에서의 성좌도는 그림 2(d)에 나타나 있습니다. 이 결과는 오실로스코프 대역폭 33GHz(약 66Gbaud의 신호 대역폭에 해당)에 의해 제한됩니다.
그림 2(b)에서 볼 수 있듯이, 3개의 암으로 구성된 구조는 30dB 이상의 블랭킹률로 광 캐리어를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 이 구조는 캐리어를 완전히 억제할 필요가 없으며, 크래머 크로니그(KK) 수신기처럼 신호 복구를 위해 캐리어 톤이 필요한 수신기에도 사용할 수 있습니다. 중앙 암의 위상 시프터를 통해 캐리어를 조정하여 원하는 캐리어 대 측파대 비율(CSR)을 얻을 수 있습니다.
장점 및 활용 분야
기존의 마흐젠더 변조기와 비교했을 때 (MZM 변조기) 및 기타 실리콘 기반 광전자 IQ 변조기와 비교했을 때, 제안된 실리콘 IQ 변조기는 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 크기가 작아 기존의 실리콘 기반 IQ 변조기보다 10배 이상 작습니다.마흐젠더 변조기(본딩 패드를 제외하고) 집적 밀도를 높이고 칩 면적을 줄입니다. 둘째, 적층형 전극 설계는 단자 저항을 사용하지 않아 소자 정전 용량과 비트당 에너지 소비를 줄입니다. 셋째, 캐리어 억제 기능을 통해 전송 전력을 최대한 줄여 에너지 효율을 더욱 향상시킵니다.
또한 GeSi EAM의 광대역폭은 매우 넓어(30나노미터 이상) 마이크로파 변조기(MRM)의 공진을 안정화하고 동기화하기 위한 다중 채널 피드백 제어 회로 및 프로세서가 필요 없으므로 설계가 간소화됩니다.
이 소형 고효율 IQ 변조기는 데이터 센터의 차세대 고채널 소형 코히런트 트랜시버에 매우 적합하여 더 높은 용량과 에너지 효율적인 광 통신을 가능하게 합니다.
캐리어 억제형 실리콘 IQ 변조기는 20% SD-FEC 조건에서 최대 150Gb/s의 데이터 전송 속도를 달성하는 탁월한 성능을 보여줍니다. GeSi EAM 기반의 소형 3암 구조는 크기, 에너지 효율 및 설계 단순성 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 이 변조기는 광 캐리어를 억제하거나 조정할 수 있으며, 다중 회선 소형 코히런트 트랜시버를 위해 코히런트 검출 및 크래머-크로니그(KK) 검출 방식과 통합될 수 있습니다. 이러한 성과는 데이터 센터 및 기타 분야에서 증가하는 고용량 데이터 통신 수요를 충족하기 위한 고집적, 고효율 광 트랜시버 구현에 기여할 것입니다.
게시 시간: 2025년 1월 21일