Silicon photonic PAM-4 modulators for next generation intra-data center optical communication systems

In recent years, high-speed low-cost modulators have attracted immense research interest to fulfill the ever-increasing intra-data center traffic. Silicon photonics is a mature platform compatible to the complementary metal-oxide-semiconductor fabrication processes, and it has a low cost for large volume integration. Intensity-modulation/direct-detection systems do not need a local oscillator or complicated digital signal processing (DSP), thus they are favored over coherent systems for intra-data center applications. Currently, four-level pulse amplitude modulation (PAM-4) has been accepted for the next generation 400G Ethernet.In this thesis, two silicon photonic PAM-4 modulators are reported for the next generation intra-data center optical communication systems. They are the dual microring modulators (MRMs) assisted Mach-Zehnder interferometer (MZI) and the dual-drive Michelson interferometric modulator (MIM). Three operating principles of generating PAM-4 optical signals based on the two proposed modulators are investigated. First, by driving the dual MRMs with differential 4-level radio-frequency (RF) signals, low-chirp PAM-4 is achieved. Successful PAM-4 transmission at 92 Gb/s over 1 km of standard single mode fiber (SSMF) and at 40 Gb/s over 20 km of SSMF without chromatic dispersion compensation are presented. Second, based on the resonances overlap of the two microrings and modulation of only one MRM, PAM-4 with large optical modulation amplitudes and extinction ratios are realized. 80 Gb/s PAM-4 transmission over 2 km of SSMF is successfully achieved. Third, dual-drive operation with independent binary RF signals generates PAM-4 optical signals without implementing digital-to-analog converter or DSP, which reduces the power consumption in the optical transmission link. PAM-4 transmission over 2 km of SSMF at 50 Gb/s using the dual MRMs assisted MZI and at 56 Gb/s using the dual-drive MIM are both presented. All the measured bit error rates of PAM-4 transmission based on these three operating principles are below the hard-decision forward-error correction threshold of 3.8 × 10-3.Au cours des années, les modulateurs haut vitesse à bas coût ont suscité un immense intérêt en recherche, afin de répondre au trafic toujours croissant dans les centres de données. La photonique sur silicium est une plateforme mature compatible avec les procédés de fabrication CMOS, ayant de plus un bas coût pour une intégration à grand volume. Les systèmes à modulation d'intensité et détection directe n'ont pas besoin d'un oscillateur local ou d'un traitement de signal numérique (DSP) compliqué, ils sont donc préférés aux systèmes cohérents pour les applications intra centre de données. Actuellement, la modulation de l'amplitude d'impulsion à 4 niveaux (PAM-4) a été acceptée pour la prochaine génération d'Ethernet 400G.Dans cette thèse, deux modulateurs PAM-4 sur la plateforme photoniques sur silicium sont étudie pour la prochaine génération de systèmes de communication optique intra centre de données. Ils sont l'interféromètre Mach-Zehnder (MZI) assisté par deux modulateurs en anneaux (MRMs) et le modulateur interférométrique de Michelson (MIM) à double entraînement. Trois principes de fonctionnement pour la génération de signaux optiques PAM-4 sont étudiés, tous basés sur les architectures deux modulateurs proposés. Tout d'abord, en modulant les deux MRMs avec des signaux radio-fréquence (RF) différentiels à 4 niveaux, PAM-4 à bas bruit est attaint. La transmission PAM-4 à 92-Gb/s sur 1 km de fibre monomode standard (SSMF) et à 40-Gb/s sur 20 km de SSMF sans compensation de dispersion chromatique sont présentés avec succès. Deuxièmement, sur la base du chevauchement des résonances des deux anneaux et de la modulation d'un seul MRM, PAM-4 à grande amplitude de modulation optique et à rapport d'extinction élevé est réalisé. La réussie transmission PAM-4 à 80-Gb/s sur 2 km de SSMF est atteinte. Troisièmement, le fonctionnement à double entraînement avec des signaux RF binaires indépendants est utilisé pour génèrer des signaux optiques PAM-4 sans recours à un convertisseur numérique-analogique ou DSP, ce qui réduit la consommation d'énergie dans le lien de transmission optique. La transmission PAM-4 sur 2 km de SSMF à 50-Gb/s en utilisant le MZI assisté par deux MRMs et at à 56-Gb/s en utilisant le MIM à double entraînement est présenté. Tous les taux d'erreurs sur les bits mesurés pour la transmission PAM-4 basés sur ces trois principes de fonctionnement sont inférieurs 3.8 × 10-3