ഹൈ-സ്പീഡ് കോഹെറന്റ് കമ്മ്യൂണിക്കേഷനായി കോം‌പാക്റ്റ് സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഐക്യു മോഡുലേറ്റർ

കോംപാക്റ്റ് സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക്ഐക്യു മോഡുലേറ്റർഉയർന്ന വേഗതയുള്ള സഹവർത്തിത്വ ആശയവിനിമയത്തിനായി
ഡാറ്റാ സെന്ററുകളിൽ ഉയർന്ന ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്മിഷൻ നിരക്കുകൾക്കും കൂടുതൽ ഊർജ്ജക്ഷമതയുള്ള ട്രാൻസ്‌സീവറുകൾക്കുമുള്ള വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന ആവശ്യം, കോം‌പാക്റ്റ് ഹൈ-പെർഫോമൻസ്ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേറ്ററുകൾ. സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് സാങ്കേതികവിദ്യ (SiPh) വിവിധ ഫോട്ടോണിക് ഘടകങ്ങളെ ഒരൊറ്റ ചിപ്പിലേക്ക് സംയോജിപ്പിക്കുന്നതിനും ഒതുക്കമുള്ളതും ചെലവ് കുറഞ്ഞതുമായ പരിഹാരങ്ങൾ പ്രാപ്തമാക്കുന്നതിനുമുള്ള ഒരു വാഗ്ദാന വേദിയായി മാറിയിരിക്കുന്നു. 75 Gbaud വരെ ആവൃത്തിയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയുന്ന GeSi EAM-കളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഒരു പുതിയ കാരിയർ സപ്രസ്സേർഡ് സിലിക്കൺ IQ മോഡുലേറ്റർ ഈ ലേഖനത്തിൽ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യും.
ഉപകരണ രൂപകൽപ്പനയും സവിശേഷതകളും
ചിത്രം 1 (a) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, നിർദ്ദിഷ്ട IQ മോഡുലേറ്റർ ഒരു കോം‌പാക്റ്റ് ത്രീ-ആം ഘടന സ്വീകരിക്കുന്നു. മൂന്ന് GeSi EAM ഉം മൂന്ന് തെർമോ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫേസ് ഷിഫ്റ്ററുകളും ചേർന്നതാണ്, ഒരു സമമിതി കോൺഫിഗറേഷൻ സ്വീകരിക്കുന്നു. ഇൻപുട്ട് ലൈറ്റ് ഒരു ഗ്രേറ്റിംഗ് കപ്ലർ (GC) വഴി ചിപ്പിലേക്ക് ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു, കൂടാതെ 1×3 മൾട്ടിമോഡ് ഇന്റർഫെറോമീറ്റർ (MMI) വഴി മൂന്ന് പാതകളായി തുല്യമായി വിഭജിക്കപ്പെടുന്നു. മോഡുലേറ്റർ, ഫേസ് ഷിഫ്റ്റർ എന്നിവയിലൂടെ കടന്നുപോയ ശേഷം, പ്രകാശം മറ്റൊരു 1×3 MMI ഉപയോഗിച്ച് വീണ്ടും സംയോജിപ്പിക്കുകയും തുടർന്ന് ഒരു സിംഗിൾ-മോഡ് ഫൈബറിലേക്ക് (SSMF) ബന്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

ചിത്രം 1: (എ) ഐക്യു മോഡുലേറ്ററിന്റെ സൂക്ഷ്മ ചിത്രം; (ബി) – (ഡി) ഒറ്റ GeSi EAM ന്റെ EO S21, എക്‌സ്റ്റിൻഷൻ റേഷ്യോ സ്പെക്ട്രവും ട്രാൻസ്മിറ്റൻസും; (ഇ) ഐക്യു മോഡുലേറ്ററിന്റെ സ്കീമാറ്റിക് ഡയഗ്രം, ഫേസ് ഷിഫ്റ്ററിന്റെ അനുബന്ധ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഘട്ടം; (എഫ്) സങ്കീർണ്ണമായ തലത്തിൽ കാരിയർ സപ്രഷൻ പ്രാതിനിധ്യം. ചിത്രം 1 (ബി) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, GeSi EAM ന് വിശാലമായ ഇലക്ട്രോ-ഒപ്റ്റിക് ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് ഉണ്ട്. ചിത്രം 1 (ബി) 67 GHz ഒപ്റ്റിക്കൽ കമ്പോണന്റ് അനലൈസർ (LCA) ഉപയോഗിച്ച് ഒരൊറ്റ GeSi EAM ടെസ്റ്റ് ഘടനയുടെ S21 പാരാമീറ്റർ അളന്നു. വ്യത്യസ്ത DC വോൾട്ടേജുകളിലെ സ്റ്റാറ്റിക് എക്‌സ്റ്റിൻഷൻ റേഷ്യോ (ER) സ്പെക്ട്രയെയും 1555 നാനോമീറ്റർ തരംഗദൈർഘ്യത്തിലുള്ള ട്രാൻസ്മിഷനെയും യഥാക്രമം ചിത്രങ്ങൾ 1 (സി) ഉം 1 (ഡി) ഉം ചിത്രീകരിക്കുന്നു.
ചിത്രം 1 (e) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, മധ്യ കൈയിലെ ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് ഫേസ് ഷിഫ്റ്റർ ക്രമീകരിച്ചുകൊണ്ട് ഒപ്റ്റിക്കൽ കാരിയറുകളെ അടിച്ചമർത്താനുള്ള കഴിവാണ് ഈ രൂപകൽപ്പനയുടെ പ്രധാന സവിശേഷത. മുകളിലെ കൈയും താഴത്തെ കൈയും തമ്മിലുള്ള ഘട്ടം വ്യത്യാസം π/2 ആണ്, ഇത് സങ്കീർണ്ണമായ ട്യൂണിംഗിനായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, അതേസമയം മധ്യ കൈ തമ്മിലുള്ള ഘട്ടം വ്യത്യാസം -3 π/4 ആണ്. ചിത്രം 1 (f) ലെ സങ്കീർണ്ണമായ തലത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഈ കോൺഫിഗറേഷൻ കാരിയറിന് വിനാശകരമായ ഇടപെടലിന് അനുവദിക്കുന്നു.
പരീക്ഷണാത്മക സജ്ജീകരണവും ഫലങ്ങളും
ചിത്രം 2 (എ) യിൽ ഹൈ-സ്പീഡ് പരീക്ഷണ സജ്ജീകരണം കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. ഒരു അനിയന്ത്രിത തരംഗരൂപ ജനറേറ്റർ (കീസൈറ്റ് M8194A) സിഗ്നൽ ഉറവിടമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെ രണ്ട് 60 GHz ഫേസ് മാച്ച്ഡ് RF ആംപ്ലിഫയറുകൾ (ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് ബയസ് ടീസുകളുള്ളത്) മോഡുലേറ്റർ ഡ്രൈവറുകളായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. GeSi EAM ന്റെ ബയസ് വോൾട്ടേജ് -2.5 V ആണ്, കൂടാതെ I, Q ചാനലുകൾക്കിടയിലുള്ള ഇലക്ട്രിക്കൽ ഫേസ് പൊരുത്തക്കേട് കുറയ്ക്കുന്നതിന് ഒരു ഫേസ് മാച്ച്ഡ് RF കേബിൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.
ചിത്രം 2: (എ) ഉയർന്ന വേഗതയുള്ള പരീക്ഷണ സജ്ജീകരണം, (ബി) 70 Gbaud-ൽ കാരിയർ സപ്രഷൻ, (സി) പിശക് നിരക്കും ഡാറ്റ നിരക്കും, (ഡി) 70 Gbaud-ൽ കോൺസ്റ്റലേഷൻ. 100 kHz ലൈൻവിഡ്ത്ത്, 1555 nm തരംഗദൈർഘ്യം, 12 dBm പവർ എന്നിവയുള്ള ഒരു വാണിജ്യ ബാഹ്യ കാവിറ്റി ലേസർ (ECL) ഒപ്റ്റിക്കൽ കാരിയറായി ഉപയോഗിക്കുക. മോഡുലേഷനുശേഷം, ഒപ്റ്റിക്കൽ സിഗ്നൽ ഒരു ഉപയോഗിച്ച് വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നുഎർബിയം-ഡോപ്പഡ് ഫൈബർ ആംപ്ലിഫയർ(EDFA) ഓൺ-ചിപ്പ് കപ്ലിംഗ് നഷ്ടങ്ങൾക്കും മോഡുലേറ്റർ ഇൻസേർഷൻ നഷ്ടങ്ങൾക്കും പരിഹാരം കാണുന്നതിന്.
ചിത്രം 2 (b)-ൽ 70 Gbaud സിഗ്നലിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, സ്വീകരിക്കുന്ന ഭാഗത്ത്, ഒരു ഒപ്റ്റിക്കൽ സ്പെക്ട്രം അനലൈസർ (OSA) സിഗ്നൽ സ്പെക്ട്രവും കാരിയർ സപ്രഷനും നിരീക്ഷിക്കുന്നു. സിഗ്നലുകൾ സ്വീകരിക്കുന്നതിന് ഒരു ഡ്യുവൽ പോളറൈസേഷൻ കോഹെറന്റ് റിസീവർ ഉപയോഗിക്കുക, അതിൽ 90 ഡിഗ്രി ഒപ്റ്റിക്കൽ മിക്സറും നാല്40 GHz ബാലൻസ്ഡ് ഫോട്ടോഡയോഡുകൾ, കൂടാതെ 33 GHz, 80 GSa/s റിയൽ-ടൈം ഓസിലോസ്കോപ്പ് (RTO) (Keysight DSOZ634A) യുമായി ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. 100 kHz ലൈൻവിഡ്ത്ത് ഉള്ള രണ്ടാമത്തെ ECL ഉറവിടം ഒരു ലോക്കൽ ഓസിലേറ്റർ (LO) ആയി ഉപയോഗിക്കുന്നു. സിംഗിൾ പോളറൈസേഷൻ സാഹചര്യങ്ങളിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ട്രാൻസ്മിറ്റർ കാരണം, അനലോഗ്-ടു-ഡിജിറ്റൽ പരിവർത്തനത്തിന് (ADC) രണ്ട് ഇലക്ട്രോണിക് ചാനലുകൾ മാത്രമേ ഉപയോഗിക്കുന്നുള്ളൂ. ഡാറ്റ RTO-യിൽ രേഖപ്പെടുത്തുകയും ഒരു ഓഫ്‌ലൈൻ ഡിജിറ്റൽ സിഗ്നൽ പ്രോസസർ (DSP) ഉപയോഗിച്ച് പ്രോസസ്സ് ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.
ചിത്രം 2 (c) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, 40 Gbaud മുതൽ 75 Gbaud വരെയുള്ള QPSK മോഡുലേഷൻ ഫോർമാറ്റ് ഉപയോഗിച്ചാണ് IQ മോഡുലേറ്റർ പരീക്ഷിച്ചത്. 7% ഹാർഡ് ഡിസിഷൻ ഫോർവേഡ് എറർ കറക്ഷൻ (HD-FEC) സാഹചര്യങ്ങളിൽ, നിരക്ക് 140 Gb/s ൽ എത്താമെന്ന് ഫലങ്ങൾ സൂചിപ്പിക്കുന്നു; 20% സോഫ്റ്റ് ഡിസിഷൻ ഫോർവേഡ് എറർ കറക്ഷൻ (SD-FEC) എന്ന അവസ്ഥയിൽ, വേഗത 150 Gb/s ൽ എത്താം. 70 Gbaud ലെ കോൺസ്റ്റലേഷൻ ഡയഗ്രം ചിത്രം 2 (d) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. ഫലം 33 GHz ന്റെ ഓസിലോസ്കോപ്പ് ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് വഴി പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു, ഇത് ഏകദേശം 66 Gbaud ന്റെ സിഗ്നൽ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്തിന് തുല്യമാണ്.

ചിത്രം 2 (b) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, മൂന്ന് ആം ഘടനയ്ക്ക് 30 dB കവിയുന്ന ബ്ലാങ്കിംഗ് റേറ്റ് ഉള്ള ഒപ്റ്റിക്കൽ കാരിയറുകളെ ഫലപ്രദമായി അടിച്ചമർത്താൻ കഴിയും. ഈ ഘടനയ്ക്ക് കാരിയറിന്റെ പൂർണ്ണമായ അടിച്ചമർത്തൽ ആവശ്യമില്ല, കൂടാതെ ക്രാമർ ക്രോണിഗ് (KK) റിസീവറുകൾ പോലുള്ള സിഗ്നലുകൾ വീണ്ടെടുക്കാൻ കാരിയർ ടോണുകൾ ആവശ്യമുള്ള റിസീവറുകളിലും ഇത് ഉപയോഗിക്കാം. ആവശ്യമുള്ള കാരിയർ ടു സൈഡ്‌ബാൻഡ് അനുപാതം (CSR) നേടുന്നതിന് ഒരു സെൻട്രൽ ആം ഫേസ് ഷിഫ്റ്റർ വഴി കാരിയറിനെ ക്രമീകരിക്കാൻ കഴിയും.
ഗുണങ്ങളും പ്രയോഗങ്ങളും
പരമ്പരാഗത മാക് സെഹ്‌ൻഡർ മോഡുലേറ്ററുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ (MZM മോഡുലേറ്ററുകൾ) മറ്റ് സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഐക്യു മോഡുലേറ്ററുകൾ എന്നിവയിൽ, നിർദ്ദിഷ്ട സിലിക്കൺ ഐക്യു മോഡുലേറ്ററിന് ഒന്നിലധികം ഗുണങ്ങളുണ്ട്. ഒന്നാമതായി, ഇത് വലിപ്പത്തിൽ ഒതുക്കമുള്ളതാണ്, അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഐക്യു മോഡുലേറ്ററുകളേക്കാൾ 10 മടങ്ങ് ചെറുതാണ്മാക് സെഹ്‌ൻഡർ മോഡുലേറ്ററുകൾ(ബോണ്ടിംഗ് പാഡുകൾ ഒഴികെ), അങ്ങനെ സംയോജന സാന്ദ്രത വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചിപ്പ് വിസ്തീർണ്ണം കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. രണ്ടാമതായി, സ്റ്റാക്ക് ചെയ്ത ഇലക്ട്രോഡ് രൂപകൽപ്പനയ്ക്ക് ടെർമിനൽ റെസിസ്റ്ററുകളുടെ ഉപയോഗം ആവശ്യമില്ല, അതുവഴി ഉപകരണ കപ്പാസിറ്റൻസും ബിറ്റിന് ഊർജ്ജവും കുറയ്ക്കുന്നു. മൂന്നാമതായി, കാരിയർ സപ്രഷൻ ശേഷി ട്രാൻസ്മിഷൻ പവറിന്റെ കുറവ് പരമാവധിയാക്കുന്നു, ഊർജ്ജ കാര്യക്ഷമത കൂടുതൽ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു.
കൂടാതെ, GeSi EAM-ന്റെ ഒപ്റ്റിക്കൽ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് വളരെ വിശാലമാണ് (30 നാനോമീറ്ററിൽ കൂടുതൽ), മൈക്രോവേവ് മോഡുലേറ്ററുകളുടെ (MRM-കൾ) അനുരണനം സ്ഥിരപ്പെടുത്തുന്നതിനും സമന്വയിപ്പിക്കുന്നതിനും മൾട്ടി-ചാനൽ ഫീഡ്‌ബാക്ക് കൺട്രോൾ സർക്യൂട്ടുകളുടെയും പ്രോസസ്സറുകളുടെയും ആവശ്യകത ഇല്ലാതാക്കുന്നു, അതുവഴി ഡിസൈൻ ലളിതമാക്കുന്നു.
ഈ ഒതുക്കമുള്ളതും കാര്യക്ഷമവുമായ ഐക്യു മോഡുലേറ്റർ അടുത്ത തലമുറ, ഉയർന്ന ചാനൽ എണ്ണം, ഡാറ്റാ സെന്ററുകളിലെ ചെറിയ കോഹെറന്റ് ട്രാൻസ്‌സീവറുകൾ എന്നിവയ്ക്ക് വളരെ അനുയോജ്യമാണ്, ഇത് ഉയർന്ന ശേഷിയും കൂടുതൽ ഊർജ്ജ-കാര്യക്ഷമമായ ഒപ്റ്റിക്കൽ ആശയവിനിമയവും പ്രാപ്തമാക്കുന്നു.
കാരിയർ സപ്രസ്ഡ് സിലിക്കൺ ഐക്യു മോഡുലേറ്റർ മികച്ച പ്രകടനം കാഴ്ചവയ്ക്കുന്നു, 20% SD-FEC സാഹചര്യങ്ങളിൽ 150 Gb/s വരെ ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്മിഷൻ നിരക്ക്. GeSi EAM അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള അതിന്റെ കോം‌പാക്റ്റ് 3-ആം ഘടനയ്ക്ക് കാൽപ്പാടുകൾ, ഊർജ്ജ കാര്യക്ഷമത, ഡിസൈൻ ലാളിത്യം എന്നിവയിൽ കാര്യമായ ഗുണങ്ങളുണ്ട്. ഒപ്റ്റിക്കൽ കാരിയറിനെ അടിച്ചമർത്താനോ ക്രമീകരിക്കാനോ ഉള്ള കഴിവ് ഈ മോഡുലേറ്ററിനുണ്ട്, കൂടാതെ മൾട്ടി ലൈൻ കോം‌പാക്റ്റ് കോഹെറന്റ് ട്രാൻസ്‌സീവറുകൾക്കായുള്ള കോഹെറന്റ് ഡിറ്റക്ഷൻ, ക്രാമർ ക്രോണിഗ് (KK) ഡിറ്റക്ഷൻ സ്കീമുകളുമായി സംയോജിപ്പിക്കാനും കഴിയും. ഡാറ്റാ സെന്ററുകളിലും മറ്റ് മേഖലകളിലും ഉയർന്ന ശേഷിയുള്ള ഡാറ്റാ ആശയവിനിമയത്തിനുള്ള വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന ആവശ്യം നിറവേറ്റുന്നതിനായി ഉയർന്ന സംയോജിതവും കാര്യക്ഷമവുമായ ഒപ്റ്റിക്കൽ ട്രാൻസ്‌സീവറുകളുടെ സാക്ഷാത്കാരത്തിലേക്ക് ഈ നേട്ടങ്ങൾ നയിക്കുന്നു.