100G沒(méi)問(wèn)題，到200G，400G，你需要什么樣的光調制器？

　　ICCSZ訊   LiNbO3鈮酸鋰雖然現在在100G系統中得到了大量的應用，但是其本身有著(zhù)材料和結構的性能極限。Indium Phosphide磷化銦可以克服LiNbO3鈮酸鋰的不足，制造性能更優(yōu)良的光調制器，讓下一代相干光通信系統變得可能。

　　簡(jiǎn)介

　　不斷增長(cháng)的光纖帶寬需求推動(dòng)相干光通信系統向前發(fā)展和應用。盡管第一代100G相干光通信系統已經(jīng)在布設在網(wǎng)絡(luò )中好幾年了，對帶寬、端口密度、以及系統能耗量的要求依然在不斷提高，也推動(dòng)技術(shù)向200G、400G甚至更高速的系統前進(jìn)。

　　同相正交In-Phase Quadrature-Phase (IQ)光調制器是超高速相干系統中重要的器件選擇。本文主要討論下一代相干光通信系統對調制器的參數要求，以及核心調制器參數對系統性能的影響，而且會(huì )特別討論磷化銦在實(shí)現這些參數要求上的優(yōu)勢。也會(huì )介紹近來(lái)在磷化銦調制器方面的研究進(jìn)展，比如在降低調制電壓，提高響應帶寬等方面的突破。

　　鈮酸鋰調制器的局限性

　　在早期的光通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)展過(guò)程中，鈮酸鋰lithium niobate (LiNbO3)晶體起到了重要的作用?；阝壦徜嚲w線(xiàn)性電光效應的Mach-Zehnder調制器，是超長(cháng)距光通信的重要器件。雖然相比較而言，高速激光器直接調制以及電吸收調制electro-adsorption modulator (EAM)會(huì )更簡(jiǎn)單及廉價(jià)，但是它們的消光比extinction ratio(ER)總是很低，限制了系統的性能。相反，鈮酸鋰MZ調制器能實(shí)現很高的消光比ER，因而作為外調制器廣泛應用在超長(cháng)超高速光網(wǎng)絡(luò )中。

　　盡管基于鈮酸鋰的同相正交光調制器有很多優(yōu)點(diǎn)，在100G應用中取得先機，但是還是有些技術(shù)局限性不容易克服。在對端口密度越來(lái)越大的要求下，對光器件的尺寸要求越來(lái)越小，同時(shí)性能參數卻要求更高。對于100G CFP 數字相干光模塊(digital coherent optics DCO)來(lái)說(shuō)，留給調制器的空間需要小過(guò)現有的基于鈮酸鋰的OIF標準。OIF于是又制定了一個(gè)基于InP磷化銦的小尺寸調制器標準(見(jiàn)圖一)。而對于CFP2模擬相干光模塊Analog coherent optics ACO來(lái)說(shuō)，調制器及可調激光器的尺寸需要進(jìn)一步壓縮。

　　注：DCO digital coherent optics 是將DSP信號處理芯片置于光模塊中的方式;而ACO analog coherent optics則是將DSP芯片保留在模塊外的主板上;兩種方法各有擁護者也各有優(yōu)劣。

　　當系統的散熱機制到達極限的時(shí)候，器件密度的增加也需要配合有更低的器件能耗值來(lái)平衡。對于LiNbO3鈮酸鋰來(lái)說(shuō)，很難再不增加調制器臂長(cháng)度的情況下減小調制電壓。這一矛盾限制了鈮酸鋰在更小及更高要求的下一代100G以上網(wǎng)絡(luò )中的應用。

　　下一代相干光通信系統需要光調制器滿(mǎn)足一下要求：調制電壓(半波電壓)低、尺寸小、插入損耗低、以及可靠性高。某些聚合物調制器或則半導體材料調制器也許能做到尺寸小以及調制電壓低，但是聚合物材料的缺點(diǎn)是穩定性可靠性不高。另外，盡管最近基于半導體的硅光器件是一大熱點(diǎn)，而且出現很多硅光調制器，他們的消光比ER和插入損耗仍然是很大的挑戰。插損的問(wèn)題可以用光放大器來(lái)補償，但是這樣也增加了額外的能耗和噪聲。

　　InP磷化銦行波MZ調制器

　　InP磷化銦已經(jīng)在著(zhù)高速光通信的領(lǐng)域證明了其本身的優(yōu)點(diǎn)。InP磷化銦晶圓可以在外延生長(cháng)時(shí)利用III/V族材料來(lái)對器件特性進(jìn)行微調優(yōu)化，從而制成優(yōu)良的可調激光器及高速探測器，同時(shí)InP磷化銦本身有著(zhù)經(jīng)過(guò)驗證的優(yōu)良可靠性。晶圓生長(cháng)的精細可控工藝加上日益改進(jìn)的封裝工藝，InP磷化銦器件的成本已經(jīng)大大的降低。這讓也InP磷化銦有可能應用于下一代光調制器。

　　尺寸小、半波電壓低的高速Mach-Zehnder調制器要求材料本身在單位長(cháng)度上有盡量打的相移。三元或者四元的合金材料參與InP磷化銦的外延生成可以精細調整晶圓材料的能級結構，從而滿(mǎn)足器件應用要求。利用在InGaAsP中multiple quantum well (MQW)晶格結構的Quantum Confined Stark Effect (QCSE)效應可以在InP磷化銦上產(chǎn)生非常大的單位長(cháng)度相移。另外，結合行波電極的設計，達到射頻RF波和光波群速度的匹配可以完成響應帶寬很高的調制器。

　　圖二演示了雙極行波IQ調制器的基本概念。最近已有商業(yè)化的低電壓高帶寬InP IQ調制器面市。這些調制器不但尺寸小而且適合與其他InP器件比如激光器以及高速光接收器集成起來(lái)。這些優(yōu)點(diǎn)正是更小更快的下一代相關(guān)光模塊需要的。

　　調制器關(guān)鍵參數

　　下一代相關(guān)光通信系統中的調制器的關(guān)鍵參數有：半波電壓Vπ，線(xiàn)性度linearity，消光比ER，以及調制帶寬modulation bandwidth。

　　半波電壓Vπ直接決定模塊的能耗，需要大的調制電壓的調制器消耗能耗更大。CFP-DCO標準允許24W的最大能耗，而CFP2-ACO只允許12W的最大能耗。因此對于CFP2-ACO模塊，要求光調制器的半波電壓低過(guò)1.5V。另外，低半波電壓的光調制器也會(huì )降低對于調制器電壓芯片的要求，從而簡(jiǎn)化增益放大器等電路的設計，從而節省更多成本。

　　線(xiàn)性度Linearity是另一個(gè)重要參數，在200G到400G的應用中，由于調制格式更改復雜化，對線(xiàn)性度的要求更高。線(xiàn)性度的改進(jìn)通常通過(guò)電壓的補償實(shí)現，即在調制曲線(xiàn)彎曲時(shí)通過(guò)增加電壓來(lái)調整到接近線(xiàn)性響應。這樣半波電壓越高時(shí)，需要的補充電壓越高，電路的設計也更復雜，能耗也成倍增加。

　　消光比ER是在調制器輸出端調制到開(kāi)1或者關(guān)0時(shí)候的光強比值。低消光比以及MZ兩臂長(cháng)度的失配會(huì )引起系統中光信號的啁啾chirp，即光強變化引起的相位改變。啁啾chirp在傳輸系統中會(huì )影響信號的最佳讀取時(shí)間點(diǎn)，從而拉高對OSNR光信噪比的要求，而越是更高階的調制模式對ER的要求也越高。

　　盡管對于100G系統來(lái)說(shuō)DP-QPSK調制是各個(gè)系統供應商都通用的模式，但是400G系統仍然存在很多不同的調制方式，也引起了很多的爭議。不管怎樣，這些系統都需要高帶寬高線(xiàn)性高效率的調制器。下表也列出了新型的InP行波MZ調制器參數以及對系統性能的貢獻。

　　InP磷化銦 IQ調制器的應用

　　LiNbO3鈮酸鋰調制器的原理是LiNbO3的線(xiàn)性電光效應。調制器的偏置點(diǎn)bias point是通過(guò)每個(gè)MZ臂的控制電壓調整，偏置電壓由交流通道的bias-tee或者獨立的相電極施加。InP調制器則是通過(guò)正向或者反向偏置電極來(lái)調整偏置點(diǎn)。像其他的InP器件比如激光器或者PD一樣，電壓和電流的極值控制保護非常重要。

　　另外對于LiNbO3鈮酸鋰材料需要極快的反饋電流來(lái)補償材料的熱漂移，從而穩定器件工作狀態(tài)。而對InP磷化銦材料來(lái)說(shuō)，熱漂移的速度要慢得多，因而降低了對反饋控制電流的要求。盡管如此，仍然需要熱電偶thermo-electric cooler (TEC)來(lái)對材料的熱特性補償，從而增大器件的工作溫度范圍。另外，也需要對器件老化進(jìn)行監控及補償。

　　低Vπ高帶寬InP磷化銦 IQ調制器

　　基于Quantum Confined Stark Effect (QCSE)效應的InP調制器需要直流偏置電壓來(lái)產(chǎn)生pn結電場(chǎng)。而為了保持跨波長(cháng)的恒定調制電壓，這一直流偏置電壓需要能在C波段進(jìn)行調整。

　　圖三中利用一個(gè)市面上的InP IQ調制器來(lái)說(shuō)明波長(cháng)相關(guān)的直流偏置電壓特性。在1528nm時(shí)需要5V的直流偏置電壓來(lái)得到1.4V的半波電壓，而在1567nm時(shí)，需要9V的直流偏置電壓來(lái)保持1.4V的半波電壓。另外，這一調制器也達到了>30-GHz的調制帶寬以及30dB的消光比ER。

　　結語(yǔ)

　　盡管LiNbO3鈮酸鋰調制器在現今的100G應用中有著(zhù)極好的性能，材料本身特性限制了LiNbO3鈮酸鋰的應用極限，而下一代大容量高密度相干光通信系統需要小尺寸、低電壓、高帶寬的新型光調制器。

　　由于能夠調整材料特性并且有著(zhù)有了的可靠性，InP磷化銦為下一代調制器提供了更多可能。低半波電壓、高帶寬的InP磷化銦調制器已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化了，相信會(huì )在下一代相干光通信中發(fā)揮重要作用。