고속 코히어런트 통신을 위한 소형 실리콘 기반 광전자 IQ 변조기

컴팩트 실리콘 기반 광전자IQ 변조기고속 코히어런트 통신을 위해
데이터 센터에서 더 높은 데이터 전송 속도와 에너지 효율이 더 높은 트랜시버에 대한 수요가 증가함에 따라 소형 고성능 트랜시버 개발이 촉진되었습니다.광 변조기실리콘 기반 광전자 기술(SiPh)은 다양한 광자 소자를 단일 칩에 통합하여 소형이고 비용 효율적인 솔루션을 구현하는 유망한 플랫폼으로 자리 잡았습니다. 본 논문에서는 최대 75Gbaud의 주파수에서 작동할 수 있는 GeSi EAM 기반의 새로운 캐리어 억제 실리콘 IQ 변조기를 살펴봅니다.
장치 설계 및 특성
제안된 IQ 변조기는 그림 1(a)와 같이 콤팩트한 3암 구조를 채택했습니다. 3개의 GeSi EAM과 3개의 열광학 위상 천이기(thermooptic phase shifter)로 구성되며, 대칭 구조를 채택했습니다. 입력된 광은 격자 결합기(GC)를 통해 칩에 결합되고, 1×3 다중모드 간섭계(MMI)를 통해 세 개의 경로로 균등하게 분할됩니다. 변조기와 위상 천이기(phase shifter)를 통과한 광은 또 다른 1×3 MMI에 의해 재결합된 후 단일모드 광섬유(SSMF)로 결합됩니다.

그림 1: (a) IQ 변조기의 현미경 이미지; (b) – (d) EO S21, 소광비 스펙트럼 및 단일 GeSi EAM의 투과율; (e) IQ 변조기의 개략도 및 위상 시프터의 해당 광학 위상; (f) 복소 평면에서의 반송파 억제 표현. 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이 GeSi EAM은 넓은 전기광학 대역폭을 갖습니다. 그림 1(b)는 67GHz 광 부품 분석기(LCA)를 사용하여 단일 GeSi EAM 테스트 구조의 S21 매개변수를 측정했습니다. 그림 1(c)와 1(d)는 각각 다양한 DC 전압에서의 정적 소광비(ER) 스펙트럼과 1555nm 파장에서의 투과율을 나타냅니다.
그림 1(e)에서 볼 수 있듯이, 이 설계의 주요 특징은 중간 암에 내장된 위상 천이기(phase shifter)를 조정하여 광 캐리어를 억제하는 기능입니다. 상단 암과 하단 암 사이의 위상 차이는 π/2로, 복소 튜닝에 사용되는 반면, 중간 암 사이의 위상 차이는 -3π/4입니다. 이러한 구성은 그림 1(f)의 복소 평면에서 볼 수 있듯이 캐리어에 대한 상쇄 간섭을 허용합니다.
실험 설정 및 결과
고속 실험 설정은 그림 2(a)에 나와 있습니다. 임의 파형 발생기(Keysight M8194A)를 신호원으로 사용하고, 두 개의 60GHz 위상 정합 RF 증폭기(바이어스 티 내장)를 변조기 드라이버로 사용합니다. GeSi EAM의 바이어스 전압은 -2.5V이며, I 채널과 Q 채널 간의 전기적 위상 부정합을 최소화하기 위해 위상 정합 RF 케이블을 사용합니다.
그림 2: (a) 고속 실험 장치, (b) 70 Gbaud에서의 반송파 억제, (c) 오류율 및 데이터 전송률, (d) 70 Gbaud에서의 성상도. 선폭 100 kHz, 파장 1555 nm, 전력 12 dBm의 상용 외부 공동 레이저(ECL)를 광 반송파로 사용합니다. 변조 후, 광 신호는에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)는 칩 내 결합 손실과 변조기 삽입 손실을 보상합니다.
수신단에서는 광 스펙트럼 분석기(OSA)가 그림 2(b)와 같이 70Gbaud 신호에 대해 신호 스펙트럼과 반송파 억제를 모니터링합니다. 신호를 수신하려면 90도 광 믹서와 4개의40GHz 균형 포토다이오드, 33GHz, 80GSa/s 실시간 오실로스코프(RTO)(Keysight DSOZ634A)에 연결되어 있습니다. 선폭이 100kHz인 두 번째 ECL 소스는 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 프로세서(DSP)를 통해 처리됩니다.
그림 2(c)에 나타낸 바와 같이, IQ 변조기는 40Gbaud에서 75Gbaud까지의 QPSK 변조 형식을 사용하여 테스트되었습니다. 결과는 7%의 경판정 순방향 오류 정정(HD-FEC) 조건에서 속도가 140Gb/s에 도달할 수 있음을 나타냅니다. 20%의 연판정 순방향 오류 정정(SD-FEC) 조건에서는 속도가 150Gb/s에 도달할 수 있습니다. 70Gbaud에서의 성상도(constellation diagram)는 그림 2(d)에 나와 있습니다. 이 결과는 오실로스코프 대역폭인 33GHz에 의해 제한되는데, 이는 약 66Gbaud의 신호 대역폭에 해당합니다.

그림 2(b)에서 볼 수 있듯이, 3암 구조는 블랭킹 레이트가 30dB를 초과하는 광 반송파를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 이 구조는 반송파를 완전히 억제할 필요가 없으며, Kramer Kronig(KK) 수신기와 같이 신호 복구를 위해 반송파 톤이 필요한 수신기에도 사용할 수 있습니다. 중앙 암 위상 천이기(central arm phase shifter)를 통해 반송파를 조정하여 원하는 반송파 대 측파대 비(CSR)를 얻을 수 있습니다.
장점 및 응용 분야
기존의 Mach Zehnder 변조기와 비교해서 (MZM 변조기) 및 기타 실리콘 기반 광전자 IQ 변조기와 달리, 제안된 실리콘 IQ 변조기는 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 크기가 작아 기존 실리콘 기반 IQ 변조기보다 10배 이상 작습니다.마흐젠더 변조기(본딩 패드 제외) 따라서 집적도가 높아지고 칩 면적이 줄어듭니다. 둘째, 적층 전극 설계는 종단 저항을 사용할 필요가 없어 소자의 정전용량과 비트당 에너지를 절감합니다. 셋째, 캐리어 억제 기능은 전송 전력 감소를 극대화하여 에너지 효율을 더욱 향상시킵니다.
또한 GeSi EAM의 광 대역폭은 매우 넓습니다(30나노미터 이상). 따라서 마이크로파 변조기(MRM)의 공명을 안정화하고 동기화하기 위한 다중채널 피드백 제어 회로와 프로세서가 필요 없으므로 설계가 간소화됩니다.
이 소형이고 효율적인 IQ 변조기는 데이터 센터의 차세대, 고채널 수, 소형 코히어런트 트랜시버에 매우 적합하여 더 높은 용량과 에너지 효율적인 광통신을 구현합니다.
이 반송파 억제 실리콘 IQ 변조기는 20% SD-FEC 조건에서 최대 150Gb/s의 데이터 전송 속도로 탁월한 성능을 발휘합니다. GeSi EAM 기반의 소형 3암 구조는 설치 공간, 에너지 효율 및 설계 단순성 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 이 변조기는 광 반송파를 억제하거나 조정할 수 있으며, 다중 회선 소형 코히어런트 트랜시버를 위한 코히어런트 검출 및 Kramer Kronig(KK) 검출 방식과 통합될 수 있습니다. 입증된 성과는 데이터 센터 및 기타 분야에서 증가하는 대용량 데이터 통신 수요를 충족하는 고도로 통합되고 효율적인 광 트랜시버의 실현을 촉진합니다.