Coherent modulation up to 100 GBd 16QAM using silicon-organic hybrid (SOH) devices

We demonstrate the generation of higher-order modulation formats using silicon-based inphase/quadrature (IQ) modulators at symbol rates of up to 100 GBd. Our devices exploit the advantages of silicon-organic hybrid (SOH) integration, which combines silicon-on-insulator waveguides with highly efficient organic electro-optic (EO) cladding materials to enable small drive voltages and sub-millimeter device lengths. In our experiments, we use an SOH IQ modulator with a {\pi}-voltage of 1.6 V to generate 100 GBd 16QAM signals. This is the first time that the 100 GBd mark is reached with an IQ modulator realized on a semiconductor substrate, leading to a single-polarization line rate of 400 Gbit/s. The peak-to-peak drive voltages amount to 1.5 Vpp, corresponding to an electrical energy dissipation in the modulator of only 25 fJ/bit

Electrically packaged silicon-organic hybrid (SOH) I/Q-modulator for 64 GBd operation

Silicon-organic hybrid (SOH) electro-optic (EO) modulators combine small footprint with low operating voltage and hence low power dissipation, thus lending themselves to on-chip integration of large-scale device arrays. Here we demonstrate an electrical packaging concept that enables high-density radio-frequency (RF) interfaces between on-chip SOH devices and external circuits. The concept combines high-resolution $\mathrm{Al_2O_3}$ printed-circuit boards with technically simple metal wire bonds and is amenable to packaging of device arrays with small on-chip bond pad pitches. In a set of experiments, we characterize the performance of the underlying RF building blocks and we demonstrate the viability of the overall concept by generation of high-speed optical communication signals. Achieving line rates (symbols rates) of 128 Gbit/s (64 GBd) using quadrature-phase-shiftkeying (QPSK) modulation and of 160 Gbit/s (40 GBd) using 16-state quadrature-amplitudemodulation (16QAM), we believe that our demonstration represents an important step in bringing SOH modulators from proof-of-concept experiments to deployment in commercial environments

High-performance Coherent Optical Modulators based on Thin-film Lithium Niobate Platform

The coherent transmission technology using digital signal processing and advanced modulation formats, is bringing networks closer to the theoretical capacity limit of optical fibres, the Shannon limit. The in-phase quadrature electro-optic modulator that encodes information on both the amplitude and the phase of light, is one of the underpinning devices for the coherent transmission technology. Ideally, such modulator should feature low loss, low drive voltage, large bandwidth, low chirp and compact footprint. However, these requirements have been only met on separate occasions. Here, we demonstrate integrated thin-film lithium niobate in-phase/quadrature modulators that fulfil these requirements simultaneously. The presented devices exhibit greatly improved overall performance (half-wave voltage, bandwidth and optical loss) over traditional lithium niobate counterparts, and support modulation data rate up to 320 Gbit s-1. Our devices pave new routes for future high-speed, energy-efficient, and cost-effective communication networks

Silicon-Organic Hybrid (SOH) Mach-Zehnder Modulators for 100 Gbit/s On-Off Keying

Electro-optic modulators for high-speed on-off keying (OOK) are key components of short- and mediumreach interconnects in data-center networks. Besides small footprint and cost-efficient large-scale production, small drive voltages and ultra-low power consumption are of paramount importance for such devices. Here we demonstrate that the concept of silicon-organic hybrid (SOH) integration is perfectly suited for meeting these challenges. The approach combines the unique processing advantages of large-scale silicon photonics with unrivalled electro-optic (EO) coefficients obtained by molecular engineering of organic materials. In our proof-of-concept experiments, we demonstrate generation and transmission of OOK signals with line rates of up to 100 Gbit/s using a 1.1 mm-long SOH Mach-Zehnder modulator (MZM) which features a {\pi}-voltage of only 0.9 V. This experiment represents not only the first demonstration of 100 Gbit/s OOK on the silicon photonic platform, but also leads to the lowest drive voltage and energy consumption ever demonstrated at this data rate for a semiconductor-based device. We support our experimental results by a theoretical analysis and show that the nonlinear transfer characteristic of the MZM can be exploited to overcome bandwidth limitations of the modulator and of the electric driver circuitry. The devices are fabricated in a commercial silicon photonics line and can hence be combined with the full portfolio of standard silicon photonic devices. We expect that high-speed power-efficient SOH modulators may have transformative impact on short-reach optical networks, enabling compact transceivers with unprecedented energy efficiency that will be at the heart of future Ethernet interfaces at Tbit/s data rates

Single-carrier 72 GBaud 32QAM and 84 GBaud 16QAM transmission using a SiP IQ modulator with joint digital-optical pre-compensation

We establish experimentally the suitability of an all-silicon optical modulator to support future ultra-high-capacity coherent optical transmission links beyond 400 Gb/s. We present single-carrier data transmission from 400 Gb/s to 600 Gb/s using an all-silicon IQ modulator produced with a generic foundry process. The operating point of the silicon photonic transmitter is carefully optimized to find the best efficiency bandwidth trade-off. We present a methodology to split pre-compensation between digital and optical stages. For the 400 Gb/s transmission, we achieved 60 Gbaud dual-polarization (DP)-16QAM, reaching a distance of 1,520 km. Transmission of 500 Gb/s was further tested using 75 Gbaud 16QAM and 60 Gbaud 32QAM, reaching 1,120 km and 480 km, respectively. We finally demonstrated 72 Gbaud DP-32QAM (720 Gb/s) transmitted over 160 km and 84 Gbaud DP-16QAM (672 Gb/s) transmitted over 720 km, meeting the threshold for 20% forward error correction overhead and achieving net rates of 600 Gb/s and 576 Gb/s, respectively. To the best of our knowledge, these are the highest baud-rate coherent transmission results achieved using an all-silicon IQ modulator. We have demonstrated that we can reap the myriad advantages of SiP integration for transmission at extreme bit rates

Segmented optical transmitter comprising a CMOS driver array and an InP IQ-MZM for advanced modulation formats

Segmented Mach-Zehnder modulators are promising solutions to generate complex modulation schemes in the migration towards optical links with a higher-spectral efficiency. We present an optical transmitter comprising a segmented-electrode InP IQ-MZM, capable of multilevel optical signal generation (5-bit per I/Q arm) by employing direct digital drive from integrated, low-power (1W) CMOS binary drivers. We discuss the advantages and design tradeoffs of the segmented driver structure and the implementation in a 40 nm CMOS technology. Multilevel operation with combined phase and amplitude modulation is demonstrated experimentally on a single MZM of the device for 2-ASK-2PSK and 4-ASK-2-PSK, showing potential for respectively 16-QAM and 64-QAM modulation in future assemblies

Coherent terabit/s communications using chip-scale optical frequency comb sources

Der Visual Networking Index (VNI) der Firma Cisco weist für den weltweiten Internetverkehr eine durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26% aus und prognostiziert 2022 einen jährliche Datenverkehr von 4,8 Zettabyte [1]. Um diesem Anstieg des Netzwerkverkehrs zu begegnen, ist die kohärente Datenübertragung in Kombination mit sogenanntem Wellenlängenmultiplex (engl. wavelength-division multiplexing, WDM) in Langstrecken-Glasfasernetzwerken zum Standard geworden. Mit der verstärkten Nutzung von Cloud-basierten Diensten, dem wachsenden Trend, Inhalte in die Nähe der Endbenutzer zu bringen, und der steigenden Anzahl angeschlossener Geräte in sog. Internet-of-Things-(IoT-)Szenarien, wird der Datenverkehr auf allen Netzebenen voraussichtlich weiter drastisch ansteigen. Daher wird erwartet, dass die WDM-Übertragung mittelfristig auch kürzere Verbindungen verwendet werden wird, die in viel größeren Stückzahlen eingesetzt werden als Langstreckenverbindungen und bei denen die Größe und die Kosten der Transceiver-Baugruppen daher wesentlich wichtiger sind. In diesem Zusammenhang werden optische Frequenzkammgeneratoren als kompakte und robuste Mehrwellenlängen-Lichtquellen eine wichtige Rolle spielen. Sie können sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite einer kohärenten WDM-Verbindung eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger oder Lokaloszillator-Signale liefern. Ein besonders wichtiger Vorteil der Frequenzkämme ist die Tatsache, dass die Spektrallinien von Natur aus äquidistant sind und durch nur zwei Parameter − die Mittenfrequenz und den freien Spektralbereich − definiert werden. Dadurch kann eine auf eine individuelle Frequenzüberwachung der einzelnen Träger verzichtet werden, und etwaige spektrale Schutzbänder zwischen benachbarten Kanälen können stark reduziert werden oder komplett wegfallen. Darüber hinaus erleichtert die inhärente Phasenbeziehung zwischen den Trägern eines Frequenzkamms die gemeinsame digitale Signalverarbeitung der WDM-Kanäle, was die Empfängerkomplexität reduzieren und darüber hinaus auch die Kompensation nichtlinearer Kanalstörungen ermöglichen kann. Unter den verschiedenen Kammgeneratoren sind Bauteile im Chip-Format der Schlüssel für künftige WDM-Transceiver, die eine kompakte Bauform aufweisen und sich kosteneffizient in großen Stückzahlen herstellen lassen sollen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von neuartigen Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format im Hinblick auf deren Eignung für die massiv parallele WDM-Übertragung. Diese Bauteile lassen sich nicht nur als Mehrwellenlängen-Lichtquellen auf der Senderseite einsetzen, sondern bieten sich auch als Mehrwellenlängen-Lokaloszillatoren (LO) für den parallelen kohärenten Empfang mehrerer WDM-Kanäle an. Bei den untersuchten Bauteilen handelt es sich um gütegeschaltete Laserdioden (engl. Gain-Switched Laser Diodes), modengekoppelte Laserdioden auf Basis von Quantenstrich-Strukturen (Quantum-Dash Mode-Locked Laser Diodes, QD-MLLD) und sog. Kerr-Kamm-Generatoren, die optische Nichtlinearitäten dritter Ordnung in Ringresonatoren hoher Güte ausnutzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Datenübertragungsexperimenten, die die Eignung der verschiedenen Kammquellen untersuchen und die in den internationalen Fachzeitschriften Nature und Optics Express veröffentlicht wurden [J1]-[J4]. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in das Thema der optischen Datenübertragung und der zugehörigen WDM-Verfahren. In diesem Zusammenhang werden die Vorteile optischer Frequenzkämme als Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung und den WDM-Empfang erläutert. Die einige Inhalte dieses Kapitels sind dem Buchkapitel [B1] entnommen, wobei Änderungen zur Anpassung an die Struktur und Notation der vorliegenden Arbeit vorgenommen wurden. In Kapitel 2 wird eine grundlegende Einführung in optische Kommunikations-systeme mit Schwerpunkt auf Hochleistungsverbindungen gegeben, die auf WDM und kohärenten Übertragungsverfahren beruhen. Außerdem wird die integrierte Optik als wichtiges technologisches Element zum Bau kostengünstiger und kompakter WDM-Transceiver vorgestellt. Das Kapitel gibt ferner einen Überblick über verschiedene optische Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format, die sich als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für solche Transceiver anbieten, und es werden grundlegende Anforderungen an optische Frequenzkammgeneratoren formuliert, die für WDM-Anwendungen relevant sind. Das Kapitel endet mit einer vergleichenden Diskussion der verschiedenen Kammgeneratoren sowie einer Zusammenfassung ausgewählter WDM-Datenübertragungsexperimente, die mit diesen Kammgeneratoren demonstriert wurden. In Kapitel 3 wird die kohärente WDM-Sendetechnik und der kohärente WDM-Empfang mit einer gütegeschalteten Laserdiode (GSLD) diskutiert. Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein Versuchsaufbau, in dem der empfängerseitige Kammgenerator aktiv mit dem senderseitigen Generator synchronisiert wurde. Das Experiment stellt die weltweit erste Demonstration einer kohärenten WDM-Übertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s dar, bei dem synchronisierte Frequenzkämme als Mehrwellenlängen-Lichtquelle am Sender und als Mehrwellenlängen-LO am Empfänger verwendet werden. Kapitel 4 untersucht das Potenzial von QD-MLLD als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung. Diese Kammgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Größe und des einfachen Betriebs besonders attraktiv. Die erzeugten Kammlinien weisen jedoch ein hohes Phasenrauschen auf, das die Modulationsformate in früheren Übertragungsexperimenten auf 16QAM begrenzte. In diesem Kapitel wird gezeigt, dass QD-MLLD die WDM-Übertragung mit Modulationsformaten jenseits von 16QAM unterstützen kann, wenn eine optische Rückkopplung durch einen externen Resonator zur Reduzierung des Phasenrauschens der Kammlinien verwendet wird. In den Experimenten wird eine Reduzierung der intrinsischen Linienbreite um etwa zwei Größenordnungen demonstriert, was eine 32QAM-WDM-Übertragung ermöglicht. Die Demonstration der Datenübertragung mit einer Rate von 12 Tbit/s über eine 75 km lange Faser mit einer spektralen Netto-Effizienz von 7,5 Bit/s/Hz stellt dabei die höchste für diese Bauteile gezeigte spektrale Effizienz dar. Gegenstand von Kapitel 5 ist die WDM-Übertragung und der kohärente Empfang mit QD-MLLD vor. Die Vorteile der Skalierbarkeit von QD-MLLD für massiv parallele WDM-Verbindungen werden also nicht nur am Sender, wie in Kapitel 4 beschrieben, sondern auch am Empfänger ausgenutzt. So konnte ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 4,1 Tbit/s über eine Distanz von 75 km übertragen werden, indem ein Paar von QD-MLLD mit ähnlichen freien Spektralbereichen verwendet wurde – ein Bauteil zur Erzeugung der optischen Träger am WDM-Sender und ein weiteres Bauteil zur Bereitstellung der erforderlichen LO-Töne für den kohärenten WDM-Empfang. Kapitel 6 beschreibt WDM-Datenübertragungsexperimente mit Hilfe von Kerr-Kamm-Generatoren. Dazu werden sog. dissipative Kerr-Solitonen (engl. dissipative Kerr solitons, DKS) in integriert-optischen Mikroresonatoren genutzt, die wegen zur Erzeugung einer streng periodischen Folge ultra-kurzer optischer Impulsen im Zeitbereich und damit zu einem breitbandigen, für WDM-Systeme sehr gut geeigneten Frequenzkamm führen. Mit diesen DKS-Kämmen wird ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 55,0 Tbit/s über eine 75 km lange Faser übertragen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war dies die höchste Datenrate, welche mit einer chip-basierten Frequenzkammquelle erreicht wurde. Das Ergebnis zeigt das Potenzial der Kammquellen für WDM-Übertragung. Darüber hinaus wird der kohärente Empfang von 93 WDM-Kanälen mit einer Datenrate von 37,2 Tbit/s unter Verwendung eines DKS-Kamms als Multiwellenlängen-LO demonstriert; die Übertragung erfolgt über eine 75 km lange Faser. Diese Arbeiten wurde in der international renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature publiziert. Kapitel 7 fasst die Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Anwendung der diskutierten Kammgeneratoren in zukünftigen WDM-Systemen

Chip-scale optical frequency comb sources for terabit communications

The number of devices connected to the internet and the required data transmission speeds are increasing exponentially. To keep up with this trend, data center interconnects should scale up to provide multi-Tbit/s connectivity. With typical distances from a few kilometers to 100 km, these links require the use of a high number of WDM channels. The associated transceivers should have low cost and footprint. The scalability of the number of channels, however, is still limited by the lack of adequate optical sources. In this book, we investigate novel chip-scale frequency comb generators as multi-wavelength light sources in WDM links. With a holistic model, we estimate the performance of comb-based WDM links, and we compare the transmission performance of different comb generator types, namely a quantum-dash mode-locked laser diode and a microresonator-based Kerr comb generator. We characterize their potential for massively-parallel WDM transmission with various transmission experiments. Combined with photonic integrated circuits, these comb sources offer a path towards highly scalable, compact, and energy-efficient Tbit/s transceivers

Chip-scale optical frequency comb sources for terabit communications

To keep up with the ever-increasing data transmission speed needs, data center interconnects are scaling up to provide multi-Tbit/s connectivity. These links require a high number of WDM channels, while the associated transceivers should be compact and energy efficient. Scaling the number of channels, however, is still limited by the lack of adequate optical sources. In this book, we investigate novel chip-scale frequency comb generators as multi-wavelength light sources for Tbit/s WDM links