100G没问题，到200G，400G，你需要什么样的光调制器？

10/16/2015,LiNbO3铌酸锂虽然现在在100G系统中得到了大量的应用，但是其本身有着材料和结构的性能极限。Indium Phosphide磷化铟可以克服LiNbO3铌酸锂的不足，制造性能更优良的光调制器，让下一代相干光通信系统变得可能。

简介
     不断增长的光纤带宽需求推动相干光通信系统向前发展和应用。尽管第一代100G相干光通信系统已经在布设在网络中好几年了，对带宽、端口密度、以及系统能耗量的要求依然在不断提高，也推动技术向200G、400G甚至更高速的系统前进。
     同相正交In-Phase Quadrature-Phase (IQ)光调制器是超高速相干系统中重要的器件选择。本文主要讨论下一代相干光通信系统对调制器的参数要求，以及核心调制器参数对系统性能的影响，而且会特别讨论磷化铟在实现这些参数要求上的优势。也会介绍近来在磷化铟调制器方面的研究进展，比如在降低调制电压，提高响应带宽等方面的突破。

铌酸锂调制器的局限性
    在早期的光通信网络发展过程中，铌酸锂lithium niobate (LiNbO3)晶体起到了重要的作用。基于铌酸锂晶体线性电光效应的Mach-Zehnder调制器，是超长距光通信的重要器件。虽然相比较而言，高速激光器直接调制以及电吸收调制electro-adsorption modulator (EAM)会更简单及廉价，但是它们的消光比extinction ratio(ER)总是很低，限制了系统的性能。相反，铌酸锂MZ调制器能实现很高的消光比ER，因而作为外调制器广泛应用在超长超高速光网络中。
     尽管基于铌酸锂的同相正交光调制器有很多优点，在100G应用中取得先机，但是还是有些技术局限性不容易克服。在对端口密度越来越大的要求下，对光器件的尺寸要求越来越小，同时性能参数却要求更高。对于100G CFP 数字相干光模块（digital coherent optics DCO）来说，留给调制器的空间需要小过现有的基于铌酸锂的OIF标准。OIF于是又制定了一个基于InP磷化铟的小尺寸调制器标准（见图一）。而对于CFP2模拟相干光模块Analog coherent optics ACO来说，调制器及可调激光器的尺寸需要进一步压缩。
注：DCO digital coherent optics 是将DSP信号处理芯片置于光模块中的方式；而ACO analog coherent optics则是将DSP芯片保留在模块外的主板上；两种方法各有拥护者也各有优劣。



      当系统的散热机制到达极限的时候，器件密度的增加也需要配合有更低的器件能耗值来平衡。对于LiNbO3铌酸锂来说，很难再不增加调制器臂长度的情况下减小调制电压。这一矛盾限制了铌酸锂在更小及更高要求的下一代100G以上网络中的应用。
      下一代相干光通信系统需要光调制器满足一下要求：调制电压（半波电压）低、尺寸小、插入损耗低、以及可靠性高。某些聚合物调制器或则半导体材料调制器也许能做到尺寸小以及调制电压低，但是聚合物材料的缺点是稳定性可靠性不高。另外，尽管最近基于半导体的硅光器件是一大热点，而且出现很多硅光调制器，他们的消光比ER和插入损耗仍然是很大的挑战。插损的问题可以用光放大器来补偿，但是这样也增加了额外的能耗和噪声。

InP磷化铟行波MZ调制器
     InP磷化铟已经在着高速光通信的领域证明了其本身的优点。InP磷化铟晶圆可以在外延生长时利用III/V族材料来对器件特性进行微调优化，从而制成优良的可调激光器及高速探测器，同时InP磷化铟本身有着经过验证的优良可靠性。晶圆生长的精细可控工艺加上日益改进的封装工艺，InP磷化铟器件的成本已经大大的降低。这让也InP磷化铟有可能应用于下一代光调制器。
     尺寸小、半波电压低的高速Mach-Zehnder调制器要求材料本身在单位长度上有尽量打的相移。三元或者四元的合金材料参与InP磷化铟的外延生成可以精细调整晶圆材料的能级结构，从而满足器件应用要求。利用在InGaAsP中multiple quantum well (MQW)晶格结构的Quantum Confined Stark Effect (QCSE)效应可以在InP磷化铟上产生非常大的单位长度相移。另外，结合行波电极的设计，达到射频RF波和光波群速度的匹配可以完成响应带宽很高的调制器。
     图二演示了双极行波IQ调制器的基本概念。最近已有商业化的低电压高带宽InP IQ调制器面市。这些调制器不但尺寸小而且适合与其他InP器件比如激光器以及高速光接收器集成起来。这些优点正是更小更快的下一代相关光模块需要的。



调制器关键参数
下一代相关光通信系统中的调制器的关键参数有：半波电压Vπ，线性度linearity，消光比ER，以及调制带宽modulation bandwidth。
      半波电压Vπ直接决定模块的能耗，需要大的调制电压的调制器消耗能耗更大。CFP-DCO标准允许24W的最大能耗，而CFP2-ACO只允许12W的最大能耗。因此对于CFP2-ACO模块，要求光调制器的半波电压低过1.5V。另外，低半波电压的光调制器也会降低对于调制器电压芯片的要求，从而简化增益放大器等电路的设计，从而节省更多成本。
      线性度Linearity是另一个重要参数，在200G到400G的应用中，由于调制格式更改复杂化，对线性度的要求更高。线性度的改进通常通过电压的补偿实现，即在调制曲线弯曲时通过增加电压来调整到接近线性响应。这样半波电压越高时，需要的补充电压越高，电路的设计也更复杂，能耗也成倍增加。
      消光比ER是在调制器输出端调制到开1或者关0时候的光强比值。低消光比以及MZ两臂长度的失配会引起系统中光信号的啁啾chirp，即光强变化引起的相位改变。啁啾chirp在传输系统中会影响信号的最佳读取时间点，从而拉高对OSNR光信噪比的要求，而越是更高阶的调制模式对ER的要求也越高。
     尽管对于100G系统来说DP-QPSK调制是各个系统供应商都通用的模式，但是400G系统仍然存在很多不同的调制方式，也引起了很多的争议。不管怎样，这些系统都需要高带宽高线性高效率的调制器。下表也列出了新型的InP行波MZ调制器参数以及对系统性能的贡献。



InP磷化铟 IQ调制器的应用
     LiNbO3铌酸锂调制器的原理是LiNbO3的线性电光效应。调制器的偏置点bias point是通过每个MZ臂的控制电压调整，偏置电压由交流通道的bias-tee或者独立的相电极施加。InP调制器则是通过正向或者反向偏置电极来调整偏置点。像其他的InP器件比如激光器或者PD一样，电压和电流的极值控制保护非常重要。
      另外对于LiNbO3铌酸锂材料需要极快的反馈电流来补偿材料的热漂移，从而稳定器件工作状态。而对InP磷化铟材料来说，热漂移的速度要慢得多，因而降低了对反馈控制电流的要求。尽管如此，仍然需要热电偶thermo-electric cooler (TEC)来对材料的热特性补偿，从而增大器件的工作温度范围。另外，也需要对器件老化进行监控及补偿。

低Vπ高带宽InP磷化铟 IQ调制器
      基于Quantum Confined Stark Effect (QCSE)效应的InP调制器需要直流偏置电压来产生pn结电场。而为了保持跨波长的恒定调制电压，这一直流偏置电压需要能在C波段进行调整。
     图三中利用一个市面上的InP IQ调制器来说明波长相关的直流偏置电压特性。在1528nm时需要5V的直流偏置电压来得到1.4V的半波电压，而在1567nm时，需要9V的直流偏置电压来保持1.4V的半波电压。另外，这一调制器也达到了>30-GHz的调制带宽以及30dB的消光比ER。



结语
     尽管LiNbO3铌酸锂调制器在现今的100G应用中有着极好的性能，材料本身特性限制了LiNbO3铌酸锂的应用极限，而下一代大容量高密度相干光通信系统需要小尺寸、低电压、高带宽的新型光调制器。
      由于能够调整材料特性并且有着有了的可靠性，InP磷化铟为下一代调制器提供了更多可能。低半波电压、高带宽的InP磷化铟调制器已经开始商业化了，相信会在下一代相干光通信中发挥重要作用。


来源光电技术小百科