Analysis and experimental characterization of silicon Mach-Zehnder Modulators for the transmission of radio signals (Análisis y caracterización experimental de moduladores Mach-Zehnder en silicio para la transmisión de señales de radio.)

Abstract

[ES] "Silicon-on-insulator", o silicio sobre aislante, se ha posicionado como una de las plataformas más prometedoras para circuitos integrados en fotónica de microondas, incluyendo moduladores ópticos. La compatibilidad con procesos de fabricación CMOS utilizados ampliamente en microelectrónica, permite una gran reducción del coste y unos volúmenes de producción altos. Sin embargo, las prestaciones de modulares ópticos en silicio son todavía peor que en otras plataformas como fosfuro de indio o niobato de litio integrado. Además, no existen muchas demostraciones prácticas de transmisión de señales radio utilizando moduladores basados en silicio. En este trabajo, caracterizamos la respuesta en DC y RF de moduladores del estado del arte construidos en silicio sobre aislante, para después realizar experimentos de transmisión de señales 5G-NR en 1550nm para medir la degradación del EVM. Estos experimentos son repetidos y comparados con un modulador comercial de niobato de litio, diseñado para comunicaciones analógicas. El candidato en silicio más prometedor tiene 4mm de longitud activa, con un V¿ medido de 6.5V, pérdidas de inserción de 6.75dB y un ancho de banda electro-óptico de 20.7GHz. La respuesta de estos moduladores es más lineal que la obtenida teóricamente, indicando que otros efectos físicos pueden tener una influencia considerable en la respuesta de estos moduladores, además del efecto FCPD. Con el setup utilizado en los experimentos, los rangos dinámicos libres de espurios obtenidos para los moduladores en silicio y en niobato de litio son muy similares, del orden de 90-95dB. Valores de EVM por debajo del 1% han sido medidos para el modulador de 4mm de silicio, con hasta 400MHz de ancho de banda de modulación y a 25GHz de frecuencia central. Nuestros resultados sugieren que en un setup práctico y un escenario de 5G-NR, la relación señal a ruido y el ancho de banda electro-óptico pueden limitar el enlace antes que problemas de no-linealidad de los moduladores. Con este trabajo, se prueba la viabilidad de utilizar moduladores de silicio sobre aislante para modulación y transmisión de señales radio.

[EN] Silicon-on-insulator has been positioned as a promising platform for integrated microwave photonic circuits, including optical modulators. The compatibility with highly mature complementary metal-oxide-semiconductor processes enables a great cost reduction and high volumes of production. However, the performance of optical modulators in Silicon-on-insulator is still worse than other platforms such as indium phosphide or integrated lithium niobate, and not many practical demonstrations of radio signal transmissions are reported. Here, we characterize the DC and RF response of state-of-the-art Silicon-on-insulator modulators and perform transmission experiments with 5G-NR signals at 1550nm to measure EVM degradation. The experiments are repeated and compared for a commercial lithium niobate modulator designed for analogue communications. The most promising candidate for radio signal modulation has 4mm of active length, with measured V¿ of 6.5V, insertion losses of 6.75dB, and an electro-optic bandwidth of 20.7GHz. The response of these modulators is more linear than predicted, suggesting that additional physical effects might be considered, apart from the free-carrier plasma dispersion effect. With our setup conditions, the spurious-free dynamic range obtained for the silicon and lithium niobate modulators is very similar, around 90-95dB. EVM values below 1% are measured for the 4mm silicon modulator up to 400MHz of modulation bandwidth and 25GHz of center frequency. Our results suggest that in a practical setup and a 5G-NR scenario, the signal-to-noise ratio and the electro-optic-bandwidth limit the performance sooner than linearity issues of silicon modulators. We prove that silicon-on-insulator modulators are a feasible option for radio signal modulation and transmission.