હાઇ-સ્પીડ સુસંગત સંચાર માટે કોમ્પેક્ટ સિલિકોન-આધારિત ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક IQ મોડ્યુલેટર

કોમ્પેક્ટ સિલિકોન-આધારિત ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિકIQ મોડ્યુલેટરહાઇ-સ્પીડ સુસંગત સંચાર માટે
ડેટા સેન્ટરોમાં ઉચ્ચ ડેટા ટ્રાન્સમિશન દર અને વધુ ઉર્જા-કાર્યક્ષમ ટ્રાન્સસીવર્સની વધતી માંગને કારણે કોમ્પેક્ટ ઉચ્ચ-પ્રદર્શન ઉપકરણોના વિકાસને વેગ મળ્યો છે.ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર. સિલિકોન આધારિત ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ટેકનોલોજી (SiPh) એક જ ચિપ પર વિવિધ ફોટોનિક ઘટકોને એકીકૃત કરવા માટે એક આશાસ્પદ પ્લેટફોર્મ બની ગયું છે, જે કોમ્પેક્ટ અને ખર્ચ-અસરકારક ઉકેલોને સક્ષમ બનાવે છે. આ લેખ GeSi EAMs પર આધારિત એક નવલકથા કેરિયર સપ્રેસ્ડ સિલિકોન IQ મોડ્યુલેટરનું અન્વેષણ કરશે, જે 75 Gbaud સુધીની આવર્તન પર કાર્ય કરી શકે છે.
ઉપકરણ ડિઝાઇન અને લાક્ષણિકતાઓ
પ્રસ્તાવિત IQ મોડ્યુલેટર આકૃતિ 1 (a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, કોમ્પેક્ટ ત્રણ આર્મ સ્ટ્રક્ચર અપનાવે છે. ત્રણ GeSi EAM અને ત્રણ થર્મો ઓપ્ટિકલ ફેઝ શિફ્ટર્સથી બનેલું છે, જે સપ્રમાણ રૂપરેખાંકન અપનાવે છે. ઇનપુટ લાઇટને ગ્રેટિંગ કપ્લર (GC) દ્વારા ચિપમાં જોડવામાં આવે છે અને 1×3 મલ્ટિમોડ ઇન્ટરફેરોમીટર (MMI) દ્વારા સમાનરૂપે ત્રણ પાથમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે. મોડ્યુલેટર અને ફેઝ શિફ્ટરમાંથી પસાર થયા પછી, પ્રકાશને બીજા 1×3 MMI દ્વારા ફરીથી જોડવામાં આવે છે અને પછી સિંગલ-મોડ ફાઇબર (SSMF) સાથે જોડવામાં આવે છે.

આકૃતિ 1: (a) IQ મોડ્યુલેટરની માઇક્રોસ્કોપિક છબી; (b) – (d) EO S21, એક GeSi EAM નું લુપ્તતા ગુણોત્તર સ્પેક્ટ્રમ અને ટ્રાન્સમિટન્સ; (e) IQ મોડ્યુલેટર અને ફેઝ શિફ્ટરના અનુરૂપ ઓપ્ટિકલ ફેઝનું સ્કીમેટિક ડાયાગ્રામ; (f) જટિલ પ્લેન પર કેરિયર સપ્રેશનનું પ્રતિનિધિત્વ. આકૃતિ 1 (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, GeSi EAM પાસે વિશાળ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક બેન્ડવિડ્થ છે. આકૃતિ 1 (b) એ 67 GHz ઓપ્ટિકલ કમ્પોનન્ટ વિશ્લેષક (LCA) નો ઉપયોગ કરીને એક GeSi EAM ટેસ્ટ સ્ટ્રક્ચરના S21 પેરામીટરને માપ્યું. આકૃતિ 1 (c) અને 1 (d) અનુક્રમે વિવિધ DC વોલ્ટેજ પર સ્ટેટિક લુપ્તતા ગુણોત્તર (ER) સ્પેક્ટ્રા અને 1555 નેનોમીટરની તરંગલંબાઇ પર ટ્રાન્સમિશન દર્શાવે છે.
આકૃતિ 1 (e) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, આ ડિઝાઇનનું મુખ્ય લક્ષણ મધ્ય આર્મમાં સંકલિત ફેઝ શિફ્ટરને સમાયોજિત કરીને ઓપ્ટિકલ કેરિયર્સને દબાવવાની ક્ષમતા છે. ઉપલા અને નીચલા આર્મ વચ્ચેનો ફેઝ તફાવત π/2 છે, જેનો ઉપયોગ જટિલ ટ્યુનિંગ માટે થાય છે, જ્યારે મધ્યમ આર્મ વચ્ચેનો ફેઝ તફાવત -3 π/4 છે. આ રૂપરેખાંકન આકૃતિ 1 (f) ના જટિલ સમતલમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, વાહકમાં વિનાશક દખલગીરી માટે પરવાનગી આપે છે.
પ્રાયોગિક સેટઅપ અને પરિણામો
હાઇ-સ્પીડ પ્રાયોગિક સેટઅપ આકૃતિ 2 (a) માં બતાવવામાં આવ્યું છે. એક મનસ્વી વેવફોર્મ જનરેટર (Keysight M8194A) નો ઉપયોગ સિગ્નલ સ્ત્રોત તરીકે થાય છે, અને બે 60 GHz ફેઝ મેચ કરેલા RF એમ્પ્લીફાયર (ઇન્ટિગ્રેટેડ બાયસ ટી સાથે) નો ઉપયોગ મોડ્યુલેટર ડ્રાઇવરો તરીકે થાય છે. GeSi EAM નું બાયસ વોલ્ટેજ -2.5 V છે, અને I અને Q ચેનલો વચ્ચે ઇલેક્ટ્રિકલ ફેઝ મિસમેચ ઘટાડવા માટે ફેઝ મેચ કરેલા RF કેબલનો ઉપયોગ થાય છે.
આકૃતિ 2: (a) હાઇ સ્પીડ પ્રાયોગિક સેટઅપ, (b) 70 Gbaud પર કેરિયર સપ્રેશન, (c) ભૂલ દર અને ડેટા દર, (d) 70 Gbaud પર કોન્સ્ટેલેશન. ઓપ્ટિકલ કેરિયર તરીકે 100 kHz ની લાઇનવિડ્થ, 1555 nm ની તરંગલંબાઇ અને 12 dBm ની શક્તિ સાથે કોમર્શિયલ એક્સટર્નલ કેવિટી લેસર (ECL) નો ઉપયોગ કરો. મોડ્યુલેશન પછી, ઓપ્ટિકલ સિગ્નલને એકનો ઉપયોગ કરીને એમ્પ્લીફાઇ કરવામાં આવે છે.એર્બિયમ-ડોપેડ ફાઇબર એમ્પ્લીફાયર(EDFA) ઓન-ચિપ કપલિંગ નુકસાન અને મોડ્યુલેટર નિવેશ નુકસાનની ભરપાઈ કરવા માટે.
પ્રાપ્તિના અંતે, ઓપ્ટિકલ સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષક (OSA) સિગ્નલ સ્પેક્ટ્રમ અને કેરિયર સપ્રેશનનું નિરીક્ષણ કરે છે, જેમ કે આકૃતિ 2 (b) માં 70 Gbaud સિગ્નલ માટે દર્શાવવામાં આવ્યું છે. સિગ્નલ પ્રાપ્ત કરવા માટે ડ્યુઅલ પોલરાઇઝેશન કોહેરન્ટ રીસીવરનો ઉપયોગ કરો, જેમાં 90 ડિગ્રી ઓપ્ટિકલ મિક્સર અને ચારનો સમાવેશ થાય છે.40 GHz સંતુલિત ફોટોડાયોડ્સ, અને 33 GHz, 80 GSa/s રીઅલ-ટાઇમ ઓસિલોસ્કોપ (RTO) (Keysight DSOZ634A) સાથે જોડાયેલ છે. 100 kHz ની લાઇનવિડ્થ સાથેનો બીજો ECL સ્ત્રોત સ્થાનિક ઓસિલેટર (LO) તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે. સિંગલ પોલરાઇઝેશન પરિસ્થિતિઓ હેઠળ કાર્યરત ટ્રાન્સમીટરને કારણે, એનાલોગ-ટુ-ડિજિટલ કન્વર્ઝન (ADC) માટે ફક્ત બે ઇલેક્ટ્રોનિક ચેનલોનો ઉપયોગ થાય છે. ડેટા RTO પર રેકોર્ડ કરવામાં આવે છે અને ઑફલાઇન ડિજિટલ સિગ્નલ પ્રોસેસર (DSP) નો ઉપયોગ કરીને પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે.
આકૃતિ 2 (c) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, IQ મોડ્યુલેટરનું પરીક્ષણ 40 Gbaud થી 75 Gbaud સુધી QPSK મોડ્યુલેશન ફોર્મેટનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું. પરિણામો દર્શાવે છે કે 7% હાર્ડ ડિસિઝન ફોરવર્ડ એરર કરેક્શન (HD-FEC) શરતો હેઠળ, દર 140 Gb/s સુધી પહોંચી શકે છે; 20% સોફ્ટ ડિસિઝન ફોરવર્ડ એરર કરેક્શન (SD-FEC) શરતો હેઠળ, ઝડપ 150 Gb/s સુધી પહોંચી શકે છે. 70 Gbaud પર નક્ષત્ર આકૃતિ આકૃતિ 2 (d) માં બતાવવામાં આવી છે. પરિણામ 33 GHz ની ઓસિલોસ્કોપ બેન્ડવિડ્થ દ્વારા મર્યાદિત છે, જે લગભગ 66 Gbaud ની સિગ્નલ બેન્ડવિડ્થની સમકક્ષ છે.

આકૃતિ 2 (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ત્રણ આર્મ સ્ટ્રક્ચર 30 dB થી વધુ બ્લેન્કિંગ રેટ સાથે ઓપ્ટિકલ કેરિયર્સને અસરકારક રીતે દબાવી શકે છે. આ સ્ટ્રક્ચરને કેરિયરના સંપૂર્ણ સપ્રેસનની જરૂર નથી અને તેનો ઉપયોગ એવા રીસીવરોમાં પણ થઈ શકે છે જેને સિગ્નલો પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટે કેરિયર ટોનની જરૂર હોય છે, જેમ કે ક્રેમર ક્રોનિગ (KK) રીસીવરો. ઇચ્છિત કેરિયર ટુ સાઇડબેન્ડ રેશિયો (CSR) પ્રાપ્ત કરવા માટે કેરિયરને સેન્ટ્રલ આર્મ ફેઝ શિફ્ટર દ્વારા એડજસ્ટ કરી શકાય છે.
ફાયદા અને એપ્લિકેશનો
પરંપરાગત મેક ઝેહન્ડર મોડ્યુલેટર સાથે સરખામણી (MZM મોડ્યુલેટર) અને અન્ય સિલિકોન-આધારિત ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક IQ મોડ્યુલેટર, પ્રસ્તાવિત સિલિકોન IQ મોડ્યુલેટરના બહુવિધ ફાયદા છે. પ્રથમ, તે કદમાં કોમ્પેક્ટ છે, IQ મોડ્યુલેટર કરતા 10 ગણાથી વધુ નાનું છેમેક ઝેહન્ડર મોડ્યુલેટર(બોન્ડિંગ પેડ્સ સિવાય), આમ એકીકરણ ઘનતા વધે છે અને ચિપ વિસ્તાર ઘટાડે છે. બીજું, સ્ટેક્ડ ઇલેક્ટ્રોડ ડિઝાઇનને ટર્મિનલ રેઝિસ્ટરનો ઉપયોગ કરવાની જરૂર નથી, જેના કારણે ઉપકરણની ક્ષમતા અને પ્રતિ બીટ ઊર્જા ઓછી થાય છે. ત્રીજું, વાહક દમન ક્ષમતા ટ્રાન્સમિશન પાવરના ઘટાડાને મહત્તમ કરે છે, ઊર્જા કાર્યક્ષમતામાં વધુ સુધારો કરે છે.
વધુમાં, GeSi EAM ની ઓપ્ટિકલ બેન્ડવિડ્થ ખૂબ જ વિશાળ છે (30 નેનોમીટરથી વધુ), જે માઇક્રોવેવ મોડ્યુલેટર (MRM) ના રેઝોનન્સને સ્થિર અને સિંક્રનાઇઝ કરવા માટે મલ્ટિ-ચેનલ ફીડબેક કંટ્રોલ સર્કિટ અને પ્રોસેસર્સની જરૂરિયાતને દૂર કરે છે, જેનાથી ડિઝાઇન સરળ બને છે.
આ કોમ્પેક્ટ અને કાર્યક્ષમ IQ મોડ્યુલેટર આગામી પેઢી, ઉચ્ચ ચેનલ ગણતરી અને ડેટા સેન્ટરોમાં નાના સુસંગત ટ્રાન્સસીવર્સ માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે, જે ઉચ્ચ ક્ષમતા અને વધુ ઊર્જા-કાર્યક્ષમ ઓપ્ટિકલ સંચારને સક્ષમ બનાવે છે.
કેરિયર સપ્રેસ્ડ સિલિકોન IQ મોડ્યુલેટર 20% SD-FEC શરતો હેઠળ 150 Gb/s સુધીના ડેટા ટ્રાન્સમિશન દર સાથે ઉત્તમ કામગીરી દર્શાવે છે. GeSi EAM પર આધારિત તેનું કોમ્પેક્ટ 3-આર્મ સ્ટ્રક્ચર ફૂટપ્રિન્ટ, ઉર્જા કાર્યક્ષમતા અને ડિઝાઇન સરળતાના સંદર્ભમાં નોંધપાત્ર ફાયદા ધરાવે છે. આ મોડ્યુલેટરમાં ઓપ્ટિકલ કેરિયરને દબાવવા અથવા સમાયોજિત કરવાની ક્ષમતા છે અને તેને મલ્ટી લાઇન કોમ્પેક્ટ કોહેરન્ટ ટ્રાન્સસીવર્સ માટે કોહેરન્ટ ડિટેક્શન અને ક્રેમર ક્રોનિગ (KK) ડિટેક્શન સ્કીમ્સ સાથે સંકલિત કરી શકાય છે. પ્રદર્શિત સિદ્ધિઓ ડેટા સેન્ટરો અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં ઉચ્ચ-ક્ષમતાવાળા ડેટા કમ્યુનિકેશનની વધતી જતી માંગને પહોંચી વળવા માટે અત્યંત સંકલિત અને કાર્યક્ષમ ઓપ્ટિકલ ટ્રાન્સસીવર્સની અનુભૂતિને આગળ ધપાવે છે.