ഹൈ-സ്പീഡ് കോഹറൻ്റ് കമ്മ്യൂണിക്കേഷനായി കോംപാക്റ്റ് സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് IQ മോഡുലേറ്റർ

കോംപാക്റ്റ് സിലിക്കൺ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക്IQ മോഡുലേറ്റർഉയർന്ന വേഗതയുള്ള യോജിച്ച ആശയവിനിമയത്തിന്
ഉയർന്ന ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്മിഷൻ നിരക്കുകൾക്കും ഡാറ്റാ സെൻ്ററുകളിൽ കൂടുതൽ ഊർജ്ജ-കാര്യക്ഷമമായ ട്രാൻസ്‌സീവറുകൾക്കുമുള്ള വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന ഡിമാൻഡ് കോംപാക്റ്റ് ഉയർന്ന പ്രകടനത്തിൻ്റെ വികസനത്തിന് കാരണമായി.ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേറ്ററുകൾ. സിലിക്കൺ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് സാങ്കേതികവിദ്യ (SiPh) വിവിധ ഫോട്ടോണിക് ഘടകങ്ങളെ ഒരൊറ്റ ചിപ്പിലേക്ക് സംയോജിപ്പിക്കുന്നതിനും ഒതുക്കമുള്ളതും ചെലവ് കുറഞ്ഞതുമായ പരിഹാരങ്ങൾ പ്രാപ്‌തമാക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു വാഗ്ദാന പ്ലാറ്റ്‌ഫോമായി മാറിയിരിക്കുന്നു. 75 Gbaud വരെ ഫ്രീക്വൻസിയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയുന്ന GeSi EAM-കളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഒരു പുതിയ കാരിയർ സപ്രസ്ഡ് സിലിക്കൺ IQ മോഡുലേറ്ററിനെ ഈ ലേഖനം 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 (ജിസി) വഴി ചിപ്പിലേക്ക് ഘടിപ്പിക്കുകയും 1×3 മൾട്ടിമോഡ് ഇൻ്റർഫെറോമീറ്ററിലൂടെ (എംഎംഐ) മൂന്ന് പാതകളായി വിഭജിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. മോഡുലേറ്ററിലൂടെയും ഫേസ് ഷിഫ്റ്ററിലൂടെയും കടന്നുപോകുമ്പോൾ, പ്രകാശം മറ്റൊരു 1×3 MMI ഉപയോഗിച്ച് വീണ്ടും സംയോജിപ്പിക്കുകയും തുടർന്ന് ഒരു സിംഗിൾ-മോഡ് ഫൈബറുമായി (SSMF) ബന്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

ചിത്രം 1: (a) IQ മോഡുലേറ്ററിൻ്റെ മൈക്രോസ്കോപ്പിക് ഇമേജ്; (b) - (d) EO S21, വംശനാശ അനുപാത സ്പെക്ട്രം, ഒരൊറ്റ GeSi EAM-ൻ്റെ പ്രക്ഷേപണം; (ഇ) IQ മോഡുലേറ്ററിൻ്റെ സ്കീമാറ്റിക് ഡയഗ്രവും ഫേസ് ഷിഫ്റ്ററിൻ്റെ അനുബന്ധ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഘട്ടവും; (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 ഘടക അനലൈസർ (LCA) ഉപയോഗിച്ച് ഒരൊറ്റ GeSi EAM ടെസ്റ്റ് ഘടനയുടെ S21 പാരാമീറ്റർ അളന്നു. യഥാക്രമം 1 (c) ഉം 1 (d) ഉം വ്യത്യസ്‌ത ഡിസി വോൾട്ടേജുകളിലെ സ്റ്റാറ്റിക് എക്‌സ്‌റ്റിൻക്ഷൻ റേഷ്യോ (ER) സ്പെക്‌ട്രയും 1555 നാനോമീറ്റർ തരംഗദൈർഘ്യത്തിലുള്ള പ്രക്ഷേപണവും ചിത്രീകരിക്കുന്നു.
ചിത്രം 1 (ഇ) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഈ ഡിസൈനിൻ്റെ പ്രധാന സവിശേഷത മധ്യ കൈയിലെ ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് ഫേസ് ഷിഫ്റ്റർ ക്രമീകരിച്ചുകൊണ്ട് ഒപ്റ്റിക്കൽ കാരിയറുകളെ അടിച്ചമർത്താനുള്ള കഴിവാണ്. മുകളിലും താഴെയുമുള്ള കൈകൾ തമ്മിലുള്ള ഘട്ട വ്യത്യാസം π/2 ആണ്, ഇത് സങ്കീർണ്ണമായ ട്യൂണിംഗിനായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, മധ്യഭാഗം തമ്മിലുള്ള ഘട്ട വ്യത്യാസം -3 π/4 ആണ്. ചിത്രം 1 (f) ൻ്റെ സങ്കീർണ്ണ തലത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഈ കോൺഫിഗറേഷൻ കാരിയറിലേക്ക് വിനാശകരമായ ഇടപെടൽ അനുവദിക്കുന്നു.
പരീക്ഷണാത്മക സജ്ജീകരണവും ഫലങ്ങളും
അതിവേഗ പരീക്ഷണാത്മക സജ്ജീകരണം ചിത്രം 2 (a) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. സിഗ്നൽ സ്രോതസ്സായി ഒരു അനിയന്ത്രിതമായ വേവ്ഫോം ജനറേറ്റർ (കീസൈറ്റ് M8194A) ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെ രണ്ട് 60 GHz ഘട്ടം പൊരുത്തപ്പെടുന്ന RF ആംപ്ലിഫയറുകൾ (സംയോജിത ബയസ് ടീസ് ഉള്ളത്) മോഡുലേറ്റർ ഡ്രൈവറുകളായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. GeSi EAM-ൻ്റെ ബയസ് വോൾട്ടേജ് -2.5 V ആണ്, I, Q ചാനലുകൾ തമ്മിലുള്ള ഇലക്ട്രിക്കൽ ഫേസ് പൊരുത്തക്കേട് കുറയ്ക്കാൻ ഒരു ഘട്ടം പൊരുത്തപ്പെടുന്ന RF കേബിൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.
ചിത്രം 2: (a) ഹൈ സ്പീഡ് പരീക്ഷണാത്മക സജ്ജീകരണം, (b) 70 Gbaud-ൽ കാരിയർ സപ്രഷൻ, (c) പിശക് നിരക്കും ഡാറ്റാ നിരക്കും, (d) 70 Gbaud-ലെ നക്ഷത്രസമൂഹം. ഒപ്റ്റിക്കൽ കാരിയറായി 100 kHz ലൈൻവിഡ്ത്തും 1555 nm തരംഗദൈർഘ്യവും 12 dBm പവറുമുള്ള വാണിജ്യ ബാഹ്യ കാവിറ്റി ലേസർ (ECL) ഉപയോഗിക്കുക. മോഡുലേഷനുശേഷം, ഒരു ഉപയോഗിച്ച് ഒപ്റ്റിക്കൽ സിഗ്നൽ വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നുഎർബിയം-ഡോപ്പഡ് ഫൈബർ ആംപ്ലിഫയർ(EDFA) ഓൺ-ചിപ്പ് കപ്ലിംഗ് നഷ്ടങ്ങളും മോഡുലേറ്റർ ഇൻസേർഷൻ നഷ്ടവും നികത്താൻ.
സ്വീകരിക്കുന്ന അവസാനത്തിൽ, 70 Gbaud സിഗ്നലിനായി ചിത്രം 2 (b) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഒരു ഒപ്റ്റിക്കൽ സ്പെക്ട്രം അനലൈസർ (OSA) സിഗ്നൽ സ്പെക്ട്രവും കാരിയർ സപ്രഷനും നിരീക്ഷിക്കുന്നു. 90 ഡിഗ്രി ഒപ്റ്റിക്കൽ മിക്സറും നാലെണ്ണവും അടങ്ങുന്ന സിഗ്നലുകൾ സ്വീകരിക്കുന്നതിന് ഇരട്ട ധ്രുവീകരണ കോഹറൻ്റ് റിസീവർ ഉപയോഗിക്കുക40 GHz ബാലൻസ്ഡ് ഫോട്ടോഡയോഡുകൾ, കൂടാതെ 33 GHz, 80 GSa/s റിയൽ-ടൈം ഓസിലോസ്കോപ്പുമായി (RTO) (കീസൈറ്റ് DSOZ634A) ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. 100 kHz ലൈൻവിഡ്ത്ത് ഉള്ള രണ്ടാമത്തെ ECL ഉറവിടം ഒരു ലോക്കൽ ഓസിലേറ്ററായി (LO) ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഒറ്റ ധ്രുവീകരണ സാഹചര്യങ്ങളിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ട്രാൻസ്മിറ്റർ കാരണം, അനലോഗ്-ടു-ഡിജിറ്റൽ പരിവർത്തനത്തിന് (ADC) രണ്ട് ഇലക്ട്രോണിക് ചാനലുകൾ മാത്രമേ ഉപയോഗിക്കുന്നുള്ളൂ. ഡാറ്റ RTO-യിൽ രേഖപ്പെടുത്തുകയും ഓഫ്‌ലൈൻ ഡിജിറ്റൽ സിഗ്നൽ പ്രോസസർ (DSP) ഉപയോഗിച്ച് പ്രോസസ്സ് ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.
ചിത്രം 2 (c) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, 40 Gbaud മുതൽ 75 Gbaud വരെയുള്ള QPSK മോഡുലേഷൻ ഫോർമാറ്റ് ഉപയോഗിച്ച് IQ മോഡുലേറ്റർ പരീക്ഷിച്ചു. 7% ഹാർഡ് ഡിസിഷൻ ഫോർവേഡ് പിശക് തിരുത്തൽ (HD-FEC) വ്യവസ്ഥകൾക്ക് കീഴിൽ, നിരക്ക് 140 Gb/s-ൽ എത്തുമെന്ന് ഫലങ്ങൾ സൂചിപ്പിക്കുന്നു; 20% സോഫ്റ്റ് ഡിസിഷൻ ഫോർവേഡ് പിശക് തിരുത്തൽ (SD-FEC) വ്യവസ്ഥയിൽ, വേഗത 150 Gb/s ൽ എത്താം. 70 Gbaud-ലെ നക്ഷത്രസമൂഹ ഡയഗ്രം ചിത്രം 2 (d) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. ഫലം 33 GHz ൻ്റെ ഓസിലോസ്കോപ്പ് ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു, ഇത് ഏകദേശം 66 Gbaud ൻ്റെ സിഗ്നൽ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്തിന് തുല്യമാണ്.

ചിത്രം 2 (ബി) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, മൂന്ന് ഭുജങ്ങളുടെ ഘടനയ്ക്ക് 30 ഡിബിയിൽ കൂടുതലുള്ള ബ്ലാങ്കിംഗ് റേറ്റ് ഉള്ള ഒപ്റ്റിക്കൽ കാരിയറുകളെ ഫലപ്രദമായി അടിച്ചമർത്താൻ കഴിയും. ഈ ഘടനയ്ക്ക് കാരിയർ പൂർണമായി അടിച്ചമർത്തൽ ആവശ്യമില്ല, കൂടാതെ ക്രാമർ ക്രോണിഗ് (കെകെ) റിസീവറുകൾ പോലുള്ള സിഗ്നലുകൾ വീണ്ടെടുക്കാൻ കാരിയർ ടോണുകൾ ആവശ്യമുള്ള റിസീവറുകളിലും ഇത് ഉപയോഗിക്കാം. ആവശ്യമുള്ള കാരിയർ ടു സൈഡ്ബാൻഡ് അനുപാതം (CSR) നേടുന്നതിന് ഒരു സെൻട്രൽ ആം ഫേസ് ഷിഫ്റ്റർ വഴി കാരിയർ ക്രമീകരിക്കാവുന്നതാണ്.
പ്രയോജനങ്ങളും ആപ്ലിക്കേഷനുകളും
പരമ്പരാഗത മാക് സെഹൻഡർ മോഡുലേറ്ററുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ (MZM മോഡുലേറ്ററുകൾ) കൂടാതെ മറ്റ് സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് IQ മോഡുലേറ്ററുകൾ, നിർദ്ദിഷ്ട സിലിക്കൺ IQ മോഡുലേറ്ററിന് ഒന്നിലധികം ഗുണങ്ങളുണ്ട്. ഒന്നാമതായി, ഇത് വലുപ്പത്തിൽ ഒതുക്കമുള്ളതാണ്, അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള IQ മോഡുലേറ്ററുകളേക്കാൾ 10 മടങ്ങ് ചെറുതാണ്മാക് സെഹൻഡർ മോഡുലേറ്ററുകൾ(ബോണ്ടിംഗ് പാഡുകൾ ഒഴികെ), അങ്ങനെ സംയോജന സാന്ദ്രത വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചിപ്പ് ഏരിയ കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. രണ്ടാമതായി, സ്റ്റാക്ക് ചെയ്ത ഇലക്ട്രോഡ് ഡിസൈനിന് ടെർമിനൽ റെസിസ്റ്ററുകളുടെ ഉപയോഗം ആവശ്യമില്ല, അതുവഴി ഉപകരണത്തിൻ്റെ കപ്പാസിറ്റൻസും ഓരോ ബിറ്റിനും ഊർജ്ജം കുറയുന്നു. മൂന്നാമതായി, കാരിയർ അടിച്ചമർത്തൽ ശേഷി ട്രാൻസ്മിഷൻ പവർ പരമാവധി കുറയ്ക്കുകയും ഊർജ്ജ കാര്യക്ഷമത കൂടുതൽ മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്യുന്നു.
കൂടാതെ, GeSi EAM-ൻ്റെ ഒപ്റ്റിക്കൽ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് വളരെ വിശാലമാണ് (30 നാനോമീറ്ററിൽ കൂടുതൽ), മൈക്രോവേവ് മോഡുലേറ്ററുകളുടെ (MRMs) അനുരണനം സുസ്ഥിരമാക്കാനും സമന്വയിപ്പിക്കാനും മൾട്ടി-ചാനൽ ഫീഡ്‌ബാക്ക് കൺട്രോൾ സർക്യൂട്ടുകളുടെയും പ്രോസസറുകളുടെയും ആവശ്യകത ഇല്ലാതാക്കുന്നു, അതുവഴി ഡിസൈൻ ലളിതമാക്കുന്നു.
ഈ ഒതുക്കമുള്ളതും കാര്യക്ഷമവുമായ IQ മോഡുലേറ്റർ അടുത്ത തലമുറയ്ക്കും ഉയർന്ന ചാനൽ എണ്ണത്തിനും ഡാറ്റാ സെൻ്ററുകളിലെ ചെറിയ കോഹറൻ്റ് ട്രാൻസ്‌സീവറുകൾക്കും വളരെ അനുയോജ്യമാണ്, ഉയർന്ന ശേഷിയും കൂടുതൽ ഊർജ്ജ-കാര്യക്ഷമമായ ഒപ്റ്റിക്കൽ ആശയവിനിമയവും സാധ്യമാക്കുന്നു.
കാരിയർ അടിച്ചമർത്തപ്പെട്ട സിലിക്കൺ IQ മോഡുലേറ്റർ മികച്ച പ്രകടനം കാണിക്കുന്നു, 20% SD-FEC സാഹചര്യങ്ങളിൽ 150 Gb/s വരെ ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്മിഷൻ നിരക്ക്. GeSi EAM അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള അതിൻ്റെ കോംപാക്റ്റ് 3-ആം ഘടനയ്ക്ക് കാൽപ്പാടുകൾ, ഊർജ്ജ കാര്യക്ഷമത, ഡിസൈൻ ലാളിത്യം എന്നിവയിൽ കാര്യമായ നേട്ടങ്ങളുണ്ട്. ഈ മോഡുലേറ്ററിന് ഒപ്റ്റിക്കൽ കാരിയർ അടിച്ചമർത്താനോ ക്രമീകരിക്കാനോ ഉള്ള കഴിവുണ്ട്, കൂടാതെ മൾട്ടി ലൈൻ കോംപാക്റ്റ് കോഹറൻ്റ് ട്രാൻസ്‌സീവറുകൾക്കായി കോഹറൻ്റ് ഡിറ്റക്ഷൻ, ക്രാമർ ക്രോണിഗ് (കെകെ) ഡിറ്റക്ഷൻ സ്കീമുകൾ എന്നിവയുമായി സംയോജിപ്പിക്കാനും കഴിയും. ഡാറ്റാ സെൻ്ററുകളിലും മറ്റ് മേഖലകളിലും ഉയർന്ന ശേഷിയുള്ള ഡാറ്റാ ആശയവിനിമയത്തിനുള്ള വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന ആവശ്യം നിറവേറ്റുന്നതിനായി പ്രദർശിപ്പിച്ച നേട്ടങ്ങൾ ഉയർന്ന സംയോജിതവും കാര്യക്ഷമവുമായ ഒപ്റ്റിക്കൽ ട്രാൻസ്‌സീവറുകൾ സാക്ഷാത്കരിക്കുന്നു.