Analysis and experiments on C band 200G coherent PON based on Alamouti polarization-insensitive receivers

Passive optical network (PON) based on coherent detection has attracted a great deal of attention in recent years as a future solution for 100+ Gbps per wavelength. Particularly for 200G-PON, one of the most attractive options would be to switch to QAM transmission and coherent detection, due to its well know advantages compared to the Direct-Detection approaches used so far in PON. However, coherent technology, extensively used in core networks, has costs that are still perceived as too high for the access ecosystem. In order to perform cost reduction, some groups have studied the option of coherent polarization-independent (PI) detection, since it halves the number of optoelectronic components in the receiver front end. In this paper, we thus present a detailed simulative and experimental investigation of polarization-independent receivers to achieve 200 Gbps transmission in C band using the Alamouti polarization time block coding (PTBC). Our goal is to show what would be the system requirements in terms of optoelectronic bandwidths, laser phase noise and ultimate power budget limitations. We study two different modulation formats: quadrature phase-shift keying (QPSK) and 16 quadrature amplitude modulation (16QAM). We also compare heterodyne and homodyne/intradyne solutions through simulations. As a summarizing result, we experimentally show that 200G PON based on 50 Gbaud-16QAM single-polarization Alamouti coded signals would be possible with today state-of-the-art coherent technologies, demonstrating an Optical Distribution Network loss above 33 dB with 25 km fiber length, a very promising result that is compliant with the PON power budget E1 class

III-V-on-silicon photonic transceivers

In this paper we give an overview on our work on silicon photonic high-speed transceivers and the co-integration of III-V opto-electronic components on the silicon photonic platform

Silicon-organic hybrid (SOH) modulators for intensity-modulation / direct-detection links with line rates of up to 120 Gbit/s

High-speed interconnects in data-center and campus-area networks crucially rely on efficient and technically simple transmission techniques that use intensity modulation and direct detection (IM/DD) to bridge distances of up to a few kilometers. This requires electro-optic modulators that combine low operation voltages with large modulation bandwidth and that can be operated at high symbol rates using integrated drive circuits. Here we explore the potential of silicon-organic hybrid (SOH) Mach-Zehnder modulators (MZM) for generating high-speed IM/DD signals at line rates of up to 120 Gbit/s. Using a SiGe BiCMOS signal-conditioning chip, we demonstrate that intensity-modulated duobinary (IDB) signaling allows to efficiently use the electrical bandwidth, thereby enabling line rates of up to 100 Gbit/s at bit error ratios (BER) of 8.5 x 10(-5). This is the highest data rate achieved so far using a silicon-based MZM in combination with a dedicated signal-conditioning integrated circuit (IC). We further show four-level pulse-amplitude modulation (PAM4) at lines rates of up to 120 Gbit/s (BER = 3.2 x 10(-3)) using a high-speed arbitrary-waveform generator and a 0.5 mm long MZM. This is the highest data rate hitherto achieved with a sub-millimeter MZM on the silicon photonic platform. (C) 2017 Optical Society of Americ

Heterogeneous integration on silicon photonics

To enhance the functionality of the standard silicon photonics platform and to overcome its limitations, in particular for light emission, ultrafast modulation, and nonlinear applications, integration with novel materials is being investigated by several groups. In this paper, we will discuss, among others, the integration of silicon waveguides with ferroelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT) and barium titanate (BTO), with electro-optically active polymers, with 2-D materials such as graphene and with III-V semiconductors through epitaxy. We discuss both the technology and design aspects

A TCAD study on the effect of process parameters on silicon optical phase shifter performance

On-chip integrated optical phase shifters are an important part of optical phase modulators. The performance of such modulators relies heavily on the phase shifter performance, which in turn depends on multiple process parameters. This paper reports the study of the effect of different process parameters on the performance of a silicon PN optical phase shifter obtained by process simulation using Silvaco® TCAD. The effect of dopant implantation dose, implantation energy, annealing temperature and time, wafer temperature, wafer tilt and rotation, and pre-amorphization on the phase and absorption of light is discussed. The 3-dB modulation bandwidth of a lumped phase shifter and the dependency of the performance metrics on different process parameters are presented. Monte Carlo numerical simulation shows that the free-carrier absorption has a much greater dependency on the process parameters than the phase shift. The study shows that ion channeling poses a limiting factor on the phase shifter performance, which can be improved by tilting the wafer or using a pre-amorphized substrate for implantation. The study shows that the 3-dB modulation bandwidth is highly dependent on the wafer tilt angle, rotation angle, and the lattice structure of the solid substrate. A bandwidth improvement of more than 5× is observed with 1.7× lower absorption for a pre-amorphized sample at −5 V compared to a crystalline sample with the same process flow

Towards coherent O-band data center interconnects

Upcoming generations of coherent intra/inter data center interconnects currently lack a clear path toward a reduction of cost and power consumption, which are the driving factors for these data links. In this work, the tradeoffs associated with a transition from coherent C-band to O-band silicon photonics are addressed and evaluated. The discussion includes the fundamental components of coherent data links, namely the optical components, fiber link and transceivers. As a major component of these links, a monolithic silicon photonic BiCMOS O-band coherent receiver is evaluated for its potential performance and compared to an analogous C-band device.TU Berlin, Open-Access-Mittel - 2021BMBF, 13N14932, Verbundprojekt: Photonic Embedding of Active Region LASER Chips on Silicon (PEARLS) - Teilvorhaben: Entwurf und Charakterisierung von eingebetteten, horizontal-gekoppelten Laser-Strukturen auf SiliziumEC/H2020/822002/EU/Lasercom-on-chip for next generation, high-speed satellite constelation interconnectivity/ORIONA

200 Gbps/lane IM/DD Technologies for Short Reach Optical Interconnects

Client-side optics are facing an ever-increasing upgrading pace, driven by upcoming 5G related services and datacenter applications. The demand for a single lane data rate is soon approaching 200 Gbps. To meet such high-speed requirement, all segments of traditional intensity modulation direct detection (IM/DD) technologies are being challenged. The characteristics of electrical and optoelectronic components and the performance of modulation, coding, and digital signal processing (DSP) techniques are being stretched to their limits. In this context, we witnessed technological breakthroughs in several aspects, including development of broadband devices, novel modulation formats and coding, and high-performance DSP algorithms for the past few years. A great momentum has been accumulated to overcome the aforementioned challenges. In this article, we focus on IM/DD transmissions, and provide an overview of recent research and development efforts on key enabling technologies for 200 Gbps per lane and beyond. Our recent demonstrations of 200 Gbps short-reach transmissions with 4-level pulse amplitude modulation (PAM) and discrete multitone signals are also presented as examples to show the system requirements in terms of device characteristics and DSP performance. Apart from digital coherent technologies and advanced direct detection systems, such as Stokes–vector and Kramers–Kronig schemes, we expect high-speed IM/DD systems will remain advantageous in terms of system cost, power consumption, and footprint for short reach applications in the short- to mid- term perspective

Silicon-organic hybrid electro-optic modulators for high-speed communication systems

Der Austausch von Informationen über globale Kommunikationsnetze ist für viele alltägliche Lebensbereiche selbstverständlich geworden. Die Informationen werden dabei mit immer weiter wachsender Geschwindigkeit und in zunehmendem Umfang geteilt. Durch den enormen Anstieg des Datenverkehrs kommt verstärkt optische Nachrichtentechnik zum Einsatz. Sie bietet gegenüber elektronischen Übertragungsverfahren entscheidende Vorteile bezüglich der Übertragungsdistanz und -kapazität.Wurde optische Übertragung zunächst nur für die Kommunikation über weite Strecken eingesetzt, machen sich die Nachteile elektronischer Verfahren mit dem stark anwachsenden Datenverkehr auch zunehmend über kürzere Strecken bemerkbar, sodass auch dort vermehrt optische Kommunikationssysteme zum Einsatz kommen. Insgesamt nimmt die Anzahl der photonischen Komponenten, die in Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden, dadurch rapide zu. Dies führt dazu, dass die einzelnen Bauteile kostengünstiger, energieeffizienter sowie kompakter werden müssen. Ähnlich zur Entwicklung in der Mikroelektronik, wo immer stärkere Miniaturisierung zu einer dramatischen Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduktion von Kosten, Platzbedarf und Energieverbrauch geführt hat, soll dies in der Photonik durch die Anwendung von integrierten photonischen Schaltkreisen erreicht werden. Integrierte photonische Schaltkreise zeichnen sich durch hohe Funktionalität bei geringem Platzbedarf aus und ermöglichen eine kostengünstige Massenfertigung. Sie sind daher von erheblichem wissenschaftlichen, technischen und kommerziellen Interesse. Insbesondere die Integration auf Siliziumsubstraten verspricht dabei hohe Integrationsdichten, kombiniert mit der Möglichkeit zur Ko-Integration photonischer und elektronischer Schaltkreise. Ein entscheidender Vorteil ist dabei, dass Silizium seit Jahrzehnten das dominierende Material in der Halbleiterindustrie und eines der häufigsten Elemente der Erdkruste ist. Vorteilhaft ist also neben der guten Verfügbarkeit des Materials, insbesondere die Existenz von etablierten und zuverlässigen Prozessen aus der Mikroelektronik, speziell der CMOS-Fertigung, zur lithographischen Strukturierung. Zudem bietet Silizium viele für die integrierte Photonik günstige physikalische Eigenschaften. Beispielsweise die Transparenz im für die Datenübertragung technisch relevanten Spektralbereiche im Nahinfraroten zwischen 1260 nm und 1625 nm und einen hohen Brechungsindexkontrast zu Siliziumdioxid. Die unter dem Begriff Siliziumphotonik zusammengefasste Technologie ist daher eine vielversprechende Plattform für integrierte photonische Schaltkreise. Eines der wichtigsten Bauteile in der optischen Nachrichtentechnik ist der elektro-optische (EO) Modulator. An der Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik ist er das zentrale Element in optischen Sendern. Neben geringen Herstellungskosten, geringem Platzbedarf und guter Energieeffizienz ist eine hohe Modulationsgeschwindigkeit eine essentielle Fähigkeit des Modulators, da diese hohe Bandbreiten in der Datenübertragung ermöglicht. Da Silizium aufgrund der punktsymmetrischen Kristallstruktur keine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist, ist in reinem Silizium kein linearer EO Effekt (Pockels-Effekt) verfügbar. Elektro-optische Modulatoren aus Silizium basieren daher darauf, dass die Konzentration freier Ladungsträger in einem Siliziumwellenleiter moduliert wird, was beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an einen pn-Übergang realisiert werden kann. Die Änderung der Konzentration freier Ladungsträger führt dabei zu einer Variation des optischen Brechungsindex (Plasmadispersions-Effekt). Dieser Effekt ist jedoch nicht effizient,wodurch die Energieeffizienz reiner Siliziummodulatoren insgesamt limitiert ist. Durch die heterogene Integration von Silizium mit weiteren Materialien lässt sich die Siliziumphotonik-Plattform erweitern. Organische EO Materialien lassen sich durch molekulares Design gezielt auf einen starken linearen EO Effekt hin optimieren. Durch die Kombination von Silizium-Nanowellenleitern und organischen EO Materialien lassen sich Hybridbauteile realisieren, welche wesentlich energieeffizienter als reine Siliziummodulatoren sind. In der englischsprachigen Fachliteratur werden diese Bauteile auch als silicon-organic hybrid (SOH) bezeichnet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit SOH-Modulatoren und deren praktischer Anwendung in der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation. In vorausgehenden Arbeiten wurden die fundamentalen Prinzipien von SOHModulatoren untersucht und deren grundlegende Einsetzbarkeit für die optische Datenübertragung gezeigt. Die vorliegende Arbeit baut darauf auf und adressiert gezielt Aspekte, die für einen praktischen Einsatz von SOH Bauteilen in optischen Kommunikationssystemen von großer Bedeutung sind: Um ein zielgerichtetes Design der Bauteile zu ermöglichen und grundlegende Zielkonflikte im Design zu erkennen, wird ein Modell für das dynamische EO Verhalten der Modulatoren entwickelt und experimentell verifiziert. Für die breitbandige Aufbau- und Verbindungstechnik werden Konzepte zur elektrischen Anbindung schneller SOH-Modulatoren entwickelt und demonstriert. Verschiedene Modulationsformate werden bei Bruttodatenraten von bis zu 160 Gbit/s erfolgreich getestet und demonstrieren die Eignung von SOHModulatoren für praktische Anwendungsszenarien. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in das Gebiet der Siliziumphotonik und deren Bedeutung für die optische Datenübertragung. Kapitel 2 beschreibt die theoretischen und technologischen Grundlagen elektrooptischer Bauteile auf Basis der Siliziumphotonik. Dies umfasst einen Überblick über den zugehörigen Stand der Wissenschaft und Technik sowie die für die nachfolgenden Kapitel relevanten Konzepte aus der Hochfrequenz- und der Nachrichtentechnik. Kapitel 3 führt ein quantitatives Modell zur Beschreibung der dynamischen elektrischen und EO Eigenschaften von SOH-Modulatoren ein. Das Modell wird experimentell verifiziert und dient als Grundlage für verbesserte Bauteildesigns zukünftiger SOH-Modulatoren, mit denen sich Bandbreiten von mehr als 100 GHz und $\pi$-Spannungen von unter 1 V erreichen lassen. Kapitel 4 demonstriert die Eignung von SOH-Modulatoren für technisch relevante Intensitätsmodulation/Direktempfang-Verfahren (engl. intensity modulation/direct detection, IM/DD), die insbesondere für hochgradig skalierbare Übertragungssysteme mit kleinen und mittleren Reichweiten (board-to-board, rack-to-rack) interessant sind. In diesem Zusammenhang werden verschiedene IM/DD-Modulationsformate experimentell getestet und dabei Bruttodatenraten von bis zu 120 Gbit/s demonstriert. Kapitel 5 befasst sich mit der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechnik für SOH-Modulatoren. Dies erfordert Platinen mit guten Hochfrequenzeigenschaften und kleinen Strukturgrößen, um eine hohe Integrationsdichte zu erreichen. Ein Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnisch breitbandigen Keramikplatinen mit hoher räumlicher Auflösung wird vorgestellt. Mit Hilfe dieser Keramikplatinen wird ein mit Bonddrähten elektrisch angebundener SOH-Modulator vorgestellt und damit eine Bruttodatenrate von 160 Gbit/s demonstriert. Kapitel 6 fasst die vorliegende Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftig notwendige Schritte, um die Anwendungsreife von SOH-Modulatoren zu erreichen. Zudem werden potentielle weitere Anwendungsfelder für SOH-Modulatoren diskutiert

Mach-Zehnder Modulator Driver Designs in 28 nm CMOS Technology for Coherent Optical Systems

Since the beginning of the Internet, the number of connected devices has experienced an exponential growth. While increasing in users number, also a huge number of services and applications have been made available through the network. The forecasts tell us that we are still at the beginning of this journey, even if the numbers are already extremely high. In order to satisfy these demands, always more capable networks have been developed. Optical links have been proven to be the best candidates for long reach backbone connections, given the low losses introduced. The final target of a link is to deliver the highest amount of data for a given bit error rate (BER). So, coherent modulations move towards this direction, providing better spectral efficiency compared to other schemes. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) and Quadrature Amplitude Modulation (QAM) can be exploited, but linearity and phase accuracy become crucial both for the electrical and optical portion of the system. Electro-optical modulators (EOM) are used to combine laser beams with different amplitudes and phases, to provide such complex schemes. CMOS technology is not so widely used in coherent applications, mainly because of the higher break-down voltage and gm/ID of BiCMOS devices. Yet CMOS has some interesting features, such as scalability and integration between analog and digital circuits, that might result in a reduction of the overall system costs. Furthermore, in the latest technology nodes, p- and n-type MOS transistors have very similar performance, making available complementary structures which can compensate the poor MOS transconductance efficiency. The required electrical signal at the EOM input should be large enough to fully steer the light phase, linear to preserve phase and amplitude, and broad-band to achieve the highest bitrate. This thesis reports two CMOS designs. A first driver has been designed, fabricated and tested. The proposed structure is a four stages chain, with two gain blocks, a pre-driver and a main driver. To reach good linearity, cascoded pseudo-differential structures have been implemented, apart for the pre-driver. The cascode transistor allows to bias the common source (CS) in triode region, resulting in a linear voltage-to-current conversion. Working in triode region means a lower transistor gm, and a strong dependence between transconductance and drain-to-source voltage. In this way gain variability can be introduced changing the cascode voltage. The pre-driver is a pn source follower, which feeds the main driver without impairing the gain at high frequency. This solution is capable to provide an output voltage of 1.5 Vpp-diff, with a total harmonic distortion (THD) lower than 1.8%. The gain variation over frequency is always below 3 dB up to 58 GHz. A second design has been realized and sent for fabrication, but at the moment of this dissertation not yet available. The first stage of this design is a transconductor, which provides voltage-to-current conversion. Since the involved amplitude is small, the amount of distortion introduced (which is proportional to the voltage swing) is very low. Part of the gain is provided in current domain through a current mirror-like structure, allowing, at least in principle, self cancellation of spurious components. Then, the output current-to-voltage conversion is realized with a closed-loop transimpedance amplifier (TIA). This solution intends to exploit loop gain (Gloop) in order to reduce the distortion. At the same time, a loop designed with a phase margin (PM) lower than 60°, results in high frequency peak for the closed-loop transfer function. The simulated THD for a 1.5 Vpp-diff output signal is frequency dependent, and it ranges from 0.3% at 1 GHz, up to 2% at 9 GHz. Ripples in the transfer function are below 3 dB up to 51 GHz, for all the gain configurations