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

કોમ્પેક્ટ સિલિકોન આધારિત ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિકIQ મોડ્યુલેટરહાઇ-સ્પીડ સુસંગત સંચાર માટે
ડેટા સેન્ટર્સમાં ઉચ્ચ ડેટા ટ્રાન્સમિશન દરો અને વધુ ઉર્જા-કાર્યક્ષમ ટ્રાન્સસીવર્સ માટેની વધતી જતી માંગને કારણે કોમ્પેક્ટ ઉચ્ચ-પ્રદર્શનનો વિકાસ થયો છે.ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર્સ. સિલિકોન આધારિત ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ટેક્નોલોજી (SiPh) એક જ ચિપ પર વિવિધ ફોટોનિક ઘટકોને એકીકૃત કરવા, કોમ્પેક્ટ અને ખર્ચ-અસરકારક ઉકેલોને સક્ષમ કરવા માટેનું એક આશાસ્પદ પ્લેટફોર્મ બની ગયું છે. આ લેખ GeSi EAMs પર આધારિત નવલકથા કેરિયર સપ્રેસ્ડ સિલિકોન IQ મોડ્યુલેટરનું અન્વેષણ કરશે, જે 75 Gbaud સુધીની આવર્તન પર કાર્ય કરી શકે છે.
ઉપકરણ ડિઝાઇન અને લાક્ષણિકતાઓ
સૂચિત IQ મોડ્યુલેટર આકૃતિ 1 (a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે કોમ્પેક્ટ થ્રી આર્મ સ્ટ્રક્ચર અપનાવે છે. ત્રણ GeSi EAM અને ત્રણ થર્મો ઓપ્ટિકલ ફેઝ શિફ્ટર્સથી બનેલું, સપ્રમાણ રૂપરેખાંકન અપનાવે છે. ઇનપુટ લાઇટને ગ્રેટિંગ કપ્લર (GC) દ્વારા ચિપમાં જોડવામાં આવે છે અને 1×3 મલ્ટિમોડ ઇન્ટરફેરોમીટર (MMI) દ્વારા ત્રણ પાથમાં સમાનરૂપે વિભાજિત કરવામાં આવે છે. મોડ્યુલેટર અને ફેઝ શિફ્ટરમાંથી પસાર થયા પછી, પ્રકાશને અન્ય 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, લુપ્તતા ગુણોત્તર સ્પેક્ટ્રમ, અને એક GeSi EAM નું ટ્રાન્સમિટન્સ; (e) IQ મોડ્યુલેટરનું યોજનાકીય આકૃતિ અને ફેઝ શિફ્ટરના અનુરૂપ ઓપ્ટિકલ તબક્કા; (f) જટિલ પ્લેન પર વાહક દમન રજૂઆત. આકૃતિ 1 (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, GeSi EAM વિશાળ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક બેન્ડવિડ્થ ધરાવે છે. આકૃતિ 1 (b) એ 67 GHz ઓપ્ટિકલ કમ્પોનન્ટ વિશ્લેષક (LCA) નો ઉપયોગ કરીને સિંગલ GeSi EAM ટેસ્ટ સ્ટ્રક્ચરનું S21 પેરામીટર માપ્યું. આકૃતિઓ 1 (c) અને 1 (d) અનુક્રમે વિવિધ DC વોલ્ટેજ પર સ્થિર લુપ્તતા ગુણોત્તર (ER) સ્પેક્ટ્રા અને 1555 નેનોમીટરની તરંગલંબાઇ પર ટ્રાન્સમિશન દર્શાવે છે.
આકૃતિ 1 (e) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, આ ડિઝાઇનનું મુખ્ય લક્ષણ એ છે કે મધ્ય હાથના સંકલિત તબક્કા શિફ્ટરને સમાયોજિત કરીને ઓપ્ટિકલ કેરિયર્સને દબાવવાની ક્ષમતા છે. ઉપલા અને નીચલા હાથ વચ્ચેનો તબક્કો તફાવત π/2 છે, જેનો ઉપયોગ જટિલ ટ્યુનિંગ માટે થાય છે, જ્યારે મધ્યમ હાથ વચ્ચેનો તબક્કો તફાવત -3 π/4 છે. આ રૂપરેખાંકન વાહકને વિનાશક હસ્તક્ષેપ માટે પરવાનગી આપે છે, જેમ કે આકૃતિ 1 (f) ના જટિલ પ્લેનમાં બતાવેલ 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 મેચ્ડ RF એમ્પ્લીફાયર (સંકલિત બાયસ ટીઝ સાથે) મોડ્યુલેટર ડ્રાઈવર તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે. GeSi EAM નું બાયસ વોલ્ટેજ -2.5 V છે, અને I અને Q ચેનલો વચ્ચેના વિદ્યુત તબક્કાની અસંગતતાને ઘટાડવા માટે તબક્કા સાથે મેળ ખાતી RF કેબલનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
આકૃતિ 2: (a) હાઇ સ્પીડ પ્રાયોગિક સેટઅપ, (b) 70 Gbaud પર વાહક દમન, (c) ભૂલ દર અને ડેટા દર, (d) 70 Gbaud પર નક્ષત્ર. 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 સિગ્નલ એકનો ઉપયોગ કરીને વિસ્તૃત થાય છેએર્બિયમ-ડોપેડ ફાઇબર એમ્પ્લીફાયર(EDFA) ઓન-ચિપ કપલિંગ નુકસાન અને મોડ્યુલેટર નિવેશ નુકસાનની ભરપાઈ કરવા માટે.
પ્રાપ્તિના અંતે, એક ઓપ્ટિકલ સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષક (OSA) સિગ્નલ સ્પેક્ટ્રમ અને કેરિયર સપ્રેસનનું નિરીક્ષણ કરે છે, જેમ કે 70 Gbaud સિગ્નલ માટે આકૃતિ 2 (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે. સિગ્નલો મેળવવા માટે દ્વિધ્રુવીકરણ સુસંગત રીસીવરનો ઉપયોગ કરો, જેમાં 90 ડિગ્રી ઓપ્ટિકલ મિક્સર અને ચાર હોય છે.40 GHz સંતુલિત ફોટોડિયોડ્સ, 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 વપરાય છે. એક ધ્રુવીકરણની સ્થિતિમાં ટ્રાન્સમીટર કાર્યરત હોવાને કારણે, એનાલોગ-ટુ-ડિજિટલ રૂપાંતરણ (ADC) માટે માત્ર 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, 40 Gbaud થી 75 Gbaud સુધી QPSK મોડ્યુલેશન ફોર્મેટનો ઉપયોગ કરીને IQ મોડ્યુલેટરનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું. પરિણામો દર્શાવે છે કે 7% સખત નિર્ણય ફોરવર્ડ એરર કરેક્શન (HD-FEC) શરતો હેઠળ, દર 140 Gb/s સુધી પહોંચી શકે છે; 20% નરમ નિર્ણય ફોરવર્ડ એરર કરેક્શન (SD-FEC) ની શરત હેઠળ, ઝડપ 150 Gb/s સુધી પહોંચી શકે છે. 70 Gbaud પર નક્ષત્ર રેખાકૃતિ 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 હાથનું માળખું 30 dB કરતાં વધુ બ્લેન્કિંગ રેટ સાથે ઓપ્ટિકલ કેરિયર્સને અસરકારક રીતે દબાવી શકે છે. આ રચનાને વાહકના સંપૂર્ણ દમનની જરૂર નથી અને તેનો ઉપયોગ એવા રીસીવરોમાં પણ થઈ શકે છે કે જેને ક્રેમર ક્રોનિગ (કેકે) રીસીવરો જેવા સિગ્નલોને પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટે કેરિયર ટોનની જરૂર હોય છે. ઇચ્છિત કેરિયર ટુ સાઇડબેન્ડ રેશિયો (CSR) હાંસલ કરવા માટે કેરિયરને સેન્ટ્રલ આર્મ ફેઝ શિફ્ટર દ્વારા એડજસ્ટ કરી શકાય છે.
ફાયદા અને એપ્લિકેશનો
પરંપરાગત માચ ઝેહન્ડર મોડ્યુલેટર સાથે સરખામણી (MZM મોડ્યુલેટર્સ) અને અન્ય સિલિકોન-આધારિત ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક IQ મોડ્યુલેટર, સૂચિત સિલિકોન IQ મોડ્યુલેટરના બહુવિધ ફાયદા છે. સૌપ્રથમ, તે કદમાં કોમ્પેક્ટ છે, તેના આધારે IQ મોડ્યુલેટર કરતા 10 ગણા કરતાં વધુ નાના છેMach Zehnder મોડ્યુલેટર્સ(બોન્ડિંગ પેડ્સ સિવાય), આમ એકીકરણ ઘનતા વધે છે અને ચિપ વિસ્તાર ઘટાડે છે. બીજું, સ્ટેક્ડ ઇલેક્ટ્રોડ ડિઝાઇનને ટર્મિનલ રેઝિસ્ટરનો ઉપયોગ કરવાની જરૂર નથી, જેનાથી ઉપકરણની ક્ષમતા અને બીટ દીઠ ઊર્જા ઘટાડે છે. ત્રીજે સ્થાને, વાહક દમન ક્ષમતા ટ્રાન્સમિશન પાવરના ઘટાડાને મહત્તમ બનાવે છે, ઊર્જા કાર્યક્ષમતામાં વધુ સુધારો કરે છે.
વધુમાં, GeSi EAM ની ઓપ્ટિકલ બેન્ડવિડ્થ ખૂબ જ પહોળી છે (30 નેનોમીટરથી વધુ), માઇક્રોવેવ મોડ્યુલેટર્સ (MRMs) ના રેઝોનન્સને સ્થિર અને સિંક્રનાઇઝ કરવા માટે મલ્ટિ-ચેનલ ફીડબેક કંટ્રોલ સર્કિટ અને પ્રોસેસરની જરૂરિયાતને દૂર કરે છે, જેનાથી ડિઝાઇનને સરળ બનાવે છે.
આ કોમ્પેક્ટ અને કાર્યક્ષમ IQ મોડ્યુલેટર નેક્સ્ટ જનરેશન, ઉચ્ચ ચેનલ કાઉન્ટ અને ડેટા સેન્ટર્સમાં નાના સુસંગત ટ્રાન્સસીવર્સ માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે, જે ઉચ્ચ ક્ષમતા અને વધુ ઉર્જા-કાર્યક્ષમ ઓપ્ટિકલ કમ્યુનિકેશનને સક્ષમ કરે છે.
કેરિયર સપ્રેસ્ડ સિલિકોન IQ મોડ્યુલેટર 20% SD-FEC શરતો હેઠળ 150 Gb/s સુધીના ડેટા ટ્રાન્સમિશન રેટ સાથે ઉત્તમ પ્રદર્શન દર્શાવે છે. GeSi EAM પર આધારિત તેની કોમ્પેક્ટ 3-આર્મ સ્ટ્રક્ચર ફૂટપ્રિન્ટ, ઊર્જા કાર્યક્ષમતા અને ડિઝાઇનની સરળતાના સંદર્ભમાં નોંધપાત્ર ફાયદા ધરાવે છે. આ મોડ્યુલેટરમાં ઓપ્ટિકલ કેરિયરને દબાવવા અથવા સમાયોજિત કરવાની ક્ષમતા છે અને તેને મલ્ટી લાઇન કોમ્પેક્ટ કોહેરન્ટ ટ્રાન્સસીવર્સ માટે સુસંગત શોધ અને ક્રેમર ક્રોનિગ (KK) શોધ યોજનાઓ 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 અનુભૂતિ તરફ દોરી જાય છે.