Resonantly assisted silicon photonics transceivers for medium-reach interconnects

Nojić, Jovana; Witzens, Jeremy; Petrova, Marina

doi:10.18154/RWTH-2022-07993

Resonantly assisted silicon photonics transceivers for medium-reach interconnects

Nojić, Jovana^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jovana Nojić M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Witzens, Jeremy (Thesis advisor)^RWTH* ; Petrova, Marina (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-03-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-07993
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/852332/files/852332.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Photonik (616710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
OFDM (frei) ; laser phase noise (frei) ; modulators (frei) ; silicon photonics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Mobile Datenübertragung unterliegt konstantem Wachstum unter anderem durch die aufkommende 5G Technologie, die verschiedenste Anwendungen mit großem Datenvolumen, geringen Latenzzeiten und hoher Zuverlässigkeit unterstützt. Faseroptische Verbindungen basierend auf Singlemode Fasern gehören zu den Hauptkandidaten um Daten von 5G Zellen zu den zentralen Verteilungsstellen zu transportieren und weiter zu Datenzentren. Um die Infrastrukturkosten zu reduzieren, ist Silizium Photonik (SiP) mit ihren geringen Massenproduktionskosten durch die Kompatibilität mit bestehenden CMOS-Prozessen, die Technologie der Wahl um die notwendigen elektro-optischen Transceiver zu realisieren. Zudem vereinfachen resonant unterstützte Bauteile durch ihren geringen Energieverbrauch und ihre Frequenzselektivität die Implementierung von Mehrkanal-Transceiver-Systemen, die die Parallelität erhöhen. Flexible und robuste Datenmodulationsformate, die auf einfacher, direkter Detektion (DD) beruhen, erhöhten den Datenfluss und sind daher von großem Interesse. Das einseitenbandige, orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (SSB-OFDM) mit seiner hohen Toleranz gegenüber dispersionsbedingter Signalverzerrung, flexibler spektraler Ladung sowie hoher spektraler Effizienz kann die genannten Bedingungen erfüllen. In diesem Zusammenhang untersuchen wir die Machbarkeit und Leistung von SSB-OFDM Transceivern, die mit SiP resonant unterstützten Modulatoren realisiert wurden. Gleichzeitig werden auch andere Transceiverkomponenten sorgsam analysiert. Auf der Empfängerseite untersuchen wir einen SiP Receiver, der auf optischen Add-Drop Multiplexern (OADM) beruht und die Polarisationsvermischung von Singlemodenfasern bewältigen kann. In dieser Arbeit präsentieren wir nach unserem Wissen zum ersten Mal ein detailliertes Modell über die Umwandlung von Laserphasenrauschen in Intensitätsrauschen in resonanter Ringmodulator (RRM) unterstützter DD Datenübertragung. Um das Model zu validieren, führen wir eine Reihe von Experimenten mit SiP RRM unterstützten Modulatoren durch. Des Weiteren modellieren wir denselben Transceiver numerisch, inklusive der Beschreibung anderer nicht-idealer Transceiverkomponenten. Das Laserphasenrauschen fügen wir am Ende des Links mit der Hilfe analytischer Modelle hinzu. Zusätzlich haben wir untersucht, wie der optimale Arbeitspunkt eines RRMs von der Charakteristik der Laserquelle abhängt, und ebenfalls den Einfluss von Nichtlinearitäten anderer Bauteile auf das SSB Signal. Schließlich präsentieren wir einen 10-Kanal, polarisationsdiversen SiP Empfänger mit reduzierter Anzahl an OADM Kanälen sowie ausgeglichener Gruppenlaufzeit für orthogonale Polarisationszustände und wir benchmarken die Leistung des Receivers experimentell.

Mobile data traffic is on a constant rise, with emerging 5G technologies having to service a broad range of applications that require high throughput, low latency, and high reliability communication. Fiber optic links, based on standard single mode fibers (SMF), are one of the main candidates for transporting data from 5G cell sites to central offices, and further to remote data centers. To reduce infrastructure costs, silicon photonics (SiP) presents itself as the technology of choice for the necessary electro-optical transceivers, with its low per-unit cost for high-volume production, owing to its large degree of compatibility with the well-established complementary metal oxide semiconductor (CMOS) fabrication. Moreover, low power, frequency selective resonantly assisted SiP devices ease the implementation of multi-channel, wavelength division multiplexed (WDM) transceiver systems that increase parallelization. Furthermore, to meet the growing demands for data throughput, flexible, robust modulation schemes that rely on inexpensive direct detection (DD) are of great interest. The single-sideband orthogonal frequency multiplexing (SSB-OFDM), with its high tolerance to dispersion-mediated signal distortion, flexibility in spectral loading, and high spectral efficiency fits well the stated requirements. In that context, we investigate the feasibility and performance of SSB-OFDM links that rely on SiP ring resonator assisted modulation, while carefully taking other typical link components (lasers and amplifiers) into consideration. On the receiver side, we study a SiP WDM receiver system based on optical add-drop multiplexers (OADM) that handles polarization scrambling present in SMF data links. In this work, we present, to the best of our knowledge, for the first time a detailed analytical model for the laser phase noise to intensity noise conversion in resonant ring modulator (RRM) assisted DD data transmission. To validate the model, we perform a set of SSB-OFDM transmission experiments using a SiP RRM assisted modulator. Moreover, we numerically model the same link, including all imperfections associated with individual link components, with the laser phase noise introduced at the link end through the derived analytical expressions. Excellent agreement of experimental and modeling results confirms the validity of our analytical model. Additionally, we study how the optimal biasing point of the RRMs depends on the laser source characteristics, as well as the influence of component nonlinearities on the SSB signal. Lastly, we present a high-speed 10-channel polarization-diverse SiP WDM receiver with a reduced number of OADMs per channel and balanced group delays for orthogonal polarization states and experimentally benchmark the performance of each of the receiver channels.

OpenAccess:
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