100G沒問題，到200G，400G，你需要什么樣的光調(diào)制器？

　　ICCSZ訊   LiNbO3鈮酸鋰雖然現(xiàn)在在100G系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用，但是其本身有著材料和結(jié)構(gòu)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(diào)制器，讓下一代相干光通信系統(tǒng)變得可能。

　　簡介

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

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

　　鈮酸鋰調(diào)制器的局限性

　　在早期的光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中，鈮酸鋰lithium niobate (LiNbO3)晶體起到了重要的作用。基于鈮酸鋰晶體線性電光效應(yīng)的Mach-Zehnder調(diào)制器，是超長距光通信的重要器件。雖然相比較而言，高速激光器直接調(diào)制以及電吸收調(diào)制electro-adsorption modulator (EAM)會更簡單及廉價，但是它們的消光比extinction ratio(ER)總是很低，限制了系統(tǒng)的性能。相反，鈮酸鋰MZ調(diào)制器能實現(xiàn)很高的消光比ER，因而作為外調(diào)制器廣泛應(yīng)用在超長超高速光網(wǎng)絡(luò)中。

　　盡管基于鈮酸鋰的同相正交光調(diào)制器有很多優(yōu)點，在100G應(yīng)用中取得先機，但是還是有些技術(shù)局限性不容易克服。在對端口密度越來越大的要求下，對光器件的尺寸要求越來越小，同時性能參數(shù)卻要求更高。對于100G CFP 數(shù)字相干光模塊(digital coherent optics DCO)來說，留給調(diào)制器的空間需要小過現(xiàn)有的基于鈮酸鋰的OIF標準。OIF于是又制定了一個基于InP磷化銦的小尺寸調(diào)制器標準(見圖一)。而對于CFP2模擬相干光模塊Analog coherent optics ACO來說，調(diào)制器及可調(diào)激光器的尺寸需要進一步壓縮。

　　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(tǒng)的散熱機制到達極限的時候，器件密度的增加也需要配合有更低的器件能耗值來平衡。對于LiNbO3鈮酸鋰來說，很難再不增加調(diào)制器臂長度的情況下減小調(diào)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(yīng)用。

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

　　InP磷化銦行波MZ調(diào)制器

　　InP磷化銦已經(jīng)在著高速光通信的領(lǐng)域證明了其本身的優(yōu)點。InP磷化銦晶圓可以在外延生長時利用III/V族材料來對器件特性進行微調(diào)優(yōu)化，從而制成優(yōu)良的可調(diào)激光器及高速探測器，同時InP磷化銦本身有著經(jīng)過驗證的優(yōu)良可靠性。晶圓生長的精細可控工藝加上日益改進的封裝工藝，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(yīng)用于下一代光調(diào)制器。

　　尺寸小、半波電壓低的高速Mach-Zehnder調(diào)制器要求材料本身在單位長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(diào)整晶圓材料的能級結(jié)構(gòu)，從而滿足器件應(yīng)用要求。利用在InGaAsP中multiple quantum well (MQW)晶格結(jié)構(gòu)的Quantum Confined Stark Effect (QCSE)效應(yīng)可以在InP磷化銦上產(chǎn)生非常大的單位長度相移。另外，結(jié)合行波電極的設(shè)計，達到射頻RF波和光波群速度的匹配可以完成響應(yīng)帶寬很高的調(diào)制器。

　　圖二演示了雙極行波IQ調(diào)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(diào)制器面市。這些調(diào)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。這些優(yōu)點正是更小更快的下一代相關(guān)光模塊需要的。

　　調(diào)制器關(guān)鍵參數(shù)

　　下一代相關(guān)光通信系統(tǒng)中的調(diào)制器的關(guān)鍵參數(shù)有：半波電壓Vπ，線性度linearity，消光比ER，以及調(diào)制帶寬modulation bandwidth。

　　半波電壓Vπ直接決定模塊的能耗，需要大的調(diào)制電壓的調(diào)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(diào)制器的半波電壓低過1.5V。另外，低半波電壓的光調(diào)制器也會降低對于調(diào)制器電壓芯片的要求，從而簡化增益放大器等電路的設(shè)計，從而節(jié)省更多成本。

　　線性度Linearity是另一個重要參數(shù)，在200G到400G的應(yīng)用中，由于調(diào)制格式更改復(fù)雜化，對線性度的要求更高。線性度的改進通常通過電壓的補償實現(xiàn)，即在調(diào)制曲線彎曲時通過增加電壓來調(diào)整到接近線性響應(yīng)。這樣半波電壓越高時，需要的補充電壓越高，電路的設(shè)計也更復(fù)雜，能耗也成倍增加。

　　消光比ER是在調(diào)制器輸出端調(diào)制到開1或者關(guān)0時候的光強比值。低消光比以及MZ兩臂長度的失配會引起系統(tǒng)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(tǒng)中會影響信號的最佳讀取時間點，從而拉高對OSNR光信噪比的要求，而越是更高階的調(diào)制模式對ER的要求也越高。

　　盡管對于100G系統(tǒng)來說DP-QPSK調(diào)制是各個系統(tǒng)供應(yīng)商都通用的模式，但是400G系統(tǒng)仍然存在很多不同的調(diào)制方式，也引起了很多的爭議。不管怎樣，這些系統(tǒng)都需要高帶寬高線性高效率的調(diào)制器。下表也列出了新型的InP行波MZ調(diào)制器參數(shù)以及對系統(tǒng)性能的貢獻。

　　InP磷化銦 IQ調(diào)制器的應(yīng)用

　　LiNbO3鈮酸鋰調(diào)制器的原理是LiNbO3的線性電光效應(yīng)。調(diào)制器的偏置點bias point是通過每個MZ臂的控制電壓調(diào)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(diào)制器則是通過正向或者反向偏置電極來調(diào)整偏置點。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補償材料的熱漂移，從而穩(wěn)定器件工作狀態(tài)。而對InP磷化銦材料來說，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行監(jiān)控及補償。

　　低Vπ高帶寬InP磷化銦 IQ調(diào)制器

　　基于Quantum Confined Stark Effect (QCSE)效應(yīng)的InP調(diào)制器需要直流偏置電壓來產(chǎn)生pn結(jié)電場。而為了保持跨波長的恒定調(diào)制電壓，這一直流偏置電壓需要能在C波段進行調(diào)整。

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

　　結(jié)語

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

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