उच्च गति सुसंगत संचार के लिए कॉम्पैक्ट सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक आईक्यू मॉड्यूलेटर

कॉम्पैक्ट सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिकआईक्यू मॉड्युलेटरउच्च गति सुसंगत संचार के लिए
डेटा केंद्रों में उच्च डेटा संचरण दरों और अधिक ऊर्जा-कुशल ट्रांससीवरों की बढ़ती मांग ने कॉम्पैक्ट उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों के विकास को बढ़ावा दिया है।ऑप्टिकल मॉड्यूलेटरसिलिकॉन आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी (SiPh) विभिन्न फोटोनिक घटकों को एक ही चिप पर एकीकृत करने के लिए एक आशाजनक मंच बन गई है, जिससे कॉम्पैक्ट और लागत प्रभावी समाधान संभव हो पाते हैं। यह लेख GeSi EAMs पर आधारित एक नवीन कैरियर-दबाव वाले सिलिकॉन IQ मॉड्यूलेटर का अध्ययन करेगा, जो 75 Gbaud तक की आवृत्ति पर कार्य कर सकता है।
उपकरण का डिज़ाइन और विशेषताएँ
प्रस्तावित आईक्यू मॉड्यूलेटर एक कॉम्पैक्ट तीन-भुजा संरचना को अपनाता है, जैसा कि चित्र 1 (a) में दिखाया गया है। यह तीन GeSi EAM और तीन थर्मो ऑप्टिकल फेज शिफ्टर्स से मिलकर बना है, जो एक सममित विन्यास को अपनाते हैं। इनपुट प्रकाश को ग्रेटिंग कपलर (GC) के माध्यम से चिप में प्रवेश कराया जाता है और 1×3 मल्टीमोड इंटरफेरोमीटर (MMI) द्वारा तीन पथों में समान रूप से विभाजित किया जाता है। मॉड्यूलेटर और फेज शिफ्टर से गुजरने के बाद, प्रकाश को एक अन्य 1×3 MMI द्वारा पुनः संयोजित किया जाता है और फिर एक सिंगल-मोड फाइबर (SSMF) में स्थानांतरित किया जाता है।

चित्र 1: (a) आईक्यू मॉड्यूलेटर की सूक्ष्मदर्शी छवि; (b) – (d) एकल GeSi EAM का EO S21, विलुप्तिकरण अनुपात स्पेक्ट्रम और पारगम्यता; (e) आईक्यू मॉड्यूलेटर का योजनाबद्ध आरेख और फेज शिफ्टर का संबंधित ऑप्टिकल फेज; (f) जटिल तल पर वाहक दमन का निरूपण। जैसा कि चित्र 1 (b) में दिखाया गया है, GeSi EAM में एक विस्तृत इलेक्ट्रो-ऑप्टिक बैंडविड्थ है। चित्र 1 (b) में 67 GHz ऑप्टिकल कंपोनेंट एनालाइजर (LCA) का उपयोग करके एकल GeSi EAM परीक्षण संरचना के S21 पैरामीटर को मापा गया। चित्र 1 (c) और 1 (d) क्रमशः विभिन्न DC वोल्टेज पर स्थिर विलुप्तिकरण अनुपात (ER) स्पेक्ट्रम और 1555 नैनोमीटर की तरंगदैर्ध्य पर संचरण को दर्शाते हैं।
चित्र 1 (ई) में दर्शाए अनुसार, इस डिज़ाइन की मुख्य विशेषता मध्य भुजा में एकीकृत फेज़ शिफ्टर को समायोजित करके ऑप्टिकल वाहकों को दबाने की क्षमता है। ऊपरी और निचली भुजाओं के बीच फेज़ अंतर π/2 है, जिसका उपयोग जटिल ट्यूनिंग के लिए किया जाता है, जबकि मध्य भुजाओं के बीच फेज़ अंतर -3 π/4 है। यह विन्यास वाहक के लिए विनाशकारी व्यतिकरण की अनुमति देता है, जैसा कि चित्र 1 (एफ) के जटिल तल में दिखाया गया है।
प्रायोगिक सेटअप और परिणाम
उच्च गति प्रायोगिक सेटअप चित्र 2 (a) में दिखाया गया है। सिग्नल स्रोत के रूप में एक आर्बिट्ररी वेवफॉर्म जनरेटर (Keysight M8194A) का उपयोग किया जाता है, और मॉड्यूलेटर ड्राइवर के रूप में दो 60 GHz फेज-मैच्ड RF एम्पलीफायर (इंटीग्रेटेड बायस टीज़ के साथ) का उपयोग किया जाता है। GeSi EAM का बायस वोल्टेज -2.5 V है, और I और Q चैनलों के बीच विद्युत फेज मिसमैच को कम करने के लिए फेज-मैच्ड RF केबल का उपयोग किया जाता है।
चित्र 2: (a) उच्च गति प्रायोगिक सेटअप, (b) 70 गीगाहड पर वाहक दमन, (c) त्रुटि दर और डेटा दर, (d) 70 गीगाहड पर नक्षत्र। ऑप्टिकल वाहक के रूप में 100 किलोहर्ट्ज़ की लाइनविड्थ, 1555 एनएम की तरंगदैर्ध्य और 12 डीबीएम की शक्ति वाले वाणिज्यिक बाह्य गुहा लेजर (ईसीएल) का उपयोग करें। मॉड्यूलेशन के बाद, ऑप्टिकल सिग्नल को प्रवर्धित किया जाता है।एर्बियम-मिश्रित फाइबर एम्पलीफायरऑन-चिप कपलिंग हानियों और मॉड्यूलेटर इंसर्शन हानियों की भरपाई के लिए (EDFA) का उपयोग किया जाता है।
प्राप्तकर्ता छोर पर, एक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक (OSA) सिग्नल स्पेक्ट्रम और कैरियर दमन की निगरानी करता है, जैसा कि चित्र 2 (b) में 70 Gbaud सिग्नल के लिए दिखाया गया है। सिग्नल प्राप्त करने के लिए एक दोहरे ध्रुवीकरण सुसंगत रिसीवर का उपयोग करें, जिसमें 90 डिग्री ऑप्टिकल मिक्सर और चार40 GHz संतुलित फोटोडायोडयह 33 GHz, 80 GSa/s रियल-टाइम ऑसिलोस्कोप (RTO) (Keysight DSOZ634A) से जुड़ा है। 100 kHz लाइनविड्थ वाला दूसरा ECL स्रोत लोकल ऑसिलेटर (LO) के रूप में उपयोग किया जाता है। ट्रांसमीटर के सिंगल पोलराइजेशन स्थितियों में काम करने के कारण, एनालॉग-टू-डिजिटल रूपांतरण (ADC) के लिए केवल दो इलेक्ट्रॉनिक चैनल उपयोग किए जाते हैं। डेटा RTO पर रिकॉर्ड किया जाता है और एक ऑफलाइन डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (DSP) का उपयोग करके संसाधित किया जाता है।
चित्र 2 (c) में दर्शाए अनुसार, IQ मॉड्यूलेटर का परीक्षण 40 Gbaud से 75 Gbaud तक QPSK मॉड्यूलेशन प्रारूप का उपयोग करके किया गया। परिणामों से पता चलता है कि 7% हार्ड डिसीजन फॉरवर्ड एरर करेक्शन (HD-FEC) की स्थिति में, दर 140 Gb/s तक पहुँच सकती है; 20% सॉफ्ट डिसीजन फॉरवर्ड एरर करेक्शन (SD-FEC) की स्थिति में, गति 150 Gb/s तक पहुँच सकती है। 70 Gbaud पर नक्षत्र आरेख चित्र 2 (d) में दिखाया गया है। परिणाम 33 GHz की ऑसिलोस्कोप बैंडविड्थ द्वारा सीमित है, जो लगभग 66 Gbaud की सिग्नल बैंडविड्थ के बराबर है।

चित्र 2 (b) में दर्शाए अनुसार, तीन भुजाओं वाली संरचना 30 dB से अधिक की ब्लैंकिंग दर के साथ ऑप्टिकल कैरियर को प्रभावी ढंग से दबा सकती है। इस संरचना में कैरियर के पूर्ण दमन की आवश्यकता नहीं होती है और इसका उपयोग उन रिसीवरों में भी किया जा सकता है जिन्हें सिग्नल को पुनर्प्राप्त करने के लिए कैरियर टोन की आवश्यकता होती है, जैसे कि क्रेमर क्रोनिग (KK) रिसीवर। वांछित कैरियर-टू-साइडबैंड अनुपात (CSR) प्राप्त करने के लिए केंद्रीय भुजा चरण शिफ्टर के माध्यम से कैरियर को समायोजित किया जा सकता है।
लाभ और अनुप्रयोग
परंपरागत मच ज़ेहंडर मॉड्यूलेटरों की तुलना में (एमजेडएम मॉड्यूलेटरअन्य सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक आईक्यू मॉड्यूलेटरों की तुलना में, प्रस्तावित सिलिकॉन आईक्यू मॉड्यूलेटर के कई फायदे हैं। सबसे पहले, यह आकार में कॉम्पैक्ट है, सिलिकॉन-आधारित आईक्यू मॉड्यूलेटरों की तुलना में 10 गुना से भी अधिक छोटा है।मच ज़ेहंडर मॉड्यूलेटर(बॉन्डिंग पैड को छोड़कर), जिससे एकीकरण घनत्व बढ़ता है और चिप का क्षेत्रफल कम होता है। दूसरा, स्टैक्ड इलेक्ट्रोड डिज़ाइन में टर्मिनल रेसिस्टर्स की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे डिवाइस की कैपेसिटेंस और प्रति बिट ऊर्जा कम हो जाती है। तीसरा, कैरियर सप्रेशन क्षमता ट्रांसमिशन पावर को अधिकतम रूप से कम करती है, जिससे ऊर्जा दक्षता में और सुधार होता है।
इसके अलावा, GeSi EAM की ऑप्टिकल बैंडविड्थ बहुत व्यापक (30 नैनोमीटर से अधिक) है, जिससे माइक्रोवेव मॉड्यूलेटर (MRM) के अनुनाद को स्थिर और सिंक्रनाइज़ करने के लिए मल्टी-चैनल फीडबैक नियंत्रण सर्किट और प्रोसेसर की आवश्यकता समाप्त हो जाती है, जिससे डिजाइन सरल हो जाता है।
यह कॉम्पैक्ट और कुशल आईक्यू मॉड्यूलेटर डेटा केंद्रों में अगली पीढ़ी के, उच्च चैनल संख्या वाले और छोटे सुसंगत ट्रांससीवरों के लिए अत्यधिक उपयुक्त है, जो उच्च क्षमता और अधिक ऊर्जा-कुशल ऑप्टिकल संचार को सक्षम बनाता है।
कैरियर सप्रेस्ड सिलिकॉन आईक्यू मॉड्यूलेटर उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदर्शित करता है, जो 20% एसडी-एफईसी स्थितियों के तहत 150 जीबी/सेकंड तक की डेटा ट्रांसमिशन दर प्रदान करता है। GeSi EAM पर आधारित इसकी कॉम्पैक्ट 3-आर्म संरचना आकार, ऊर्जा दक्षता और सरल डिजाइन के मामले में महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है। यह मॉड्यूलेटर ऑप्टिकल कैरियर को दबाने या समायोजित करने की क्षमता रखता है और मल्टी-लाइन कॉम्पैक्ट कोहेरेंट ट्रांससीवर के लिए कोहेरेंट डिटेक्शन और क्रेमर क्रोनिग (केके) डिटेक्शन योजनाओं के साथ एकीकृत किया जा सकता है। प्रदर्शित उपलब्धियां डेटा केंद्रों और अन्य क्षेत्रों में उच्च क्षमता वाले डेटा संचार की बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए अत्यधिक एकीकृत और कुशल ऑप्टिकल ट्रांससीवर के निर्माण को गति प्रदान करती हैं।