Przedstawiamy krzemowy modulator fotoniczny Macha-Zehndera – modulator MZM

Przedstawiamy krzemowy modulator fotoniczny Macha-ZehnderaModulator MZM

Modulator Mach-Zehndera jest najważniejszym elementem po stronie nadawczej w krzemowych modułach fotonicznych 400G/800G. Obecnie w produkowanych masowo krzemowych modułach fotonicznych występują dwa typy modulatorów po stronie nadawczej: jeden to modulator PAM4 oparty na jednokanałowym trybie pracy 100 Gb/s, który osiąga transmisję danych 800 Gb/s poprzez 4-kanałowe / 8-kanałowe podejście równoległe i jest stosowany głównie w centrach danych i procesorach graficznych (GPU). Oczywiście, jednokanałowy krzemowy modulator fotoniczny Mach-Zendera o przepustowości 200 Gb/s, który będzie konkurował z EML po masowej produkcji z przepustowością 100 Gb/s, nie powinien być odległy. Drugi typ toModulator IQZastosowane w dalekosiężnej, koherentnej komunikacji optycznej. Wspomniane na obecnym etapie koherentne obniżenie sygnału odnosi się do odległości transmisji modułów optycznych od tysięcy kilometrów w metropolitalnej sieci szkieletowej do modułów optycznych ZR od 80 do 120 kilometrów, a nawet do modułów optycznych LR sięgających w przyszłości 10 kilometrów.

Zasada dużej prędkościmodulatory krzemowemożna podzielić na dwie części: optykę i elektryczność.

Część optyczna: Podstawową zasadą działania jest interferometr Macha-Zehndera. Wiązka światła przechodzi przez rozdzielacz wiązki 50/50 i przekształca się w dwie wiązki światła o równej energii, które są następnie przesyłane w obu ramionach modulatora. Poprzez kontrolę fazy na jednym z ramion (tj. współczynnik załamania światła krzemu jest zmieniany przez grzałkę, aby zmienić prędkość propagacji jednego z ramion), ostateczna kombinacja wiązek jest przeprowadzana na wyjściu obu ramion. Długość fazy interferencyjnej (gdzie szczyty obu ramion spotykają się jednocześnie) i eliminacja interferencji (gdzie różnica faz wynosi 90°, a szczyty znajdują się naprzeciwko dolin) można uzyskać poprzez interferencję, modulując w ten sposób natężenie światła (co można rozumieć jako 1 i 0 w sygnałach cyfrowych). Jest to proste zrozumienie, a także metoda kontroli punktu pracy w praktyce. Na przykład, w transmisji danych pracujemy w punkcie o 3 dB niższym od szczytu, a w komunikacji koherentnej pracujemy w punkcie bez światła. Jednak ta metoda kontroli różnicy faz poprzez nagrzewanie i rozpraszanie ciepła w celu sterowania sygnałem wyjściowym zajmuje bardzo dużo czasu i po prostu nie spełnia naszych wymagań dotyczących przesyłu 100 Gb/s na sekundę. Dlatego musimy znaleźć sposób na osiągnięcie wyższej szybkości modulacji.

Sekcja elektryczna składa się głównie z sekcji złącza PN, która musi zmieniać współczynnik załamania światła przy wysokich częstotliwościach, oraz struktury elektrody fali bieżącej, która dopasowuje prędkość sygnału elektrycznego i optycznego. Zasada zmiany współczynnika załamania światła opiera się na efekcie dyspersji plazmy, znanym również jako efekt dyspersji swobodnych nośników. Odnosi się on do efektu fizycznego polegającego na tym, że wraz ze zmianą koncentracji swobodnych nośników w materiale półprzewodnikowym, rzeczywista i urojona część współczynnika załamania światła materiału również ulegają odpowiedniej zmianie. Wraz ze wzrostem koncentracji nośników w materiałach półprzewodnikowych, współczynnik absorpcji materiału rośnie, a rzeczywista część współczynnika załamania światła maleje. Podobnie, gdy liczba nośników w materiałach półprzewodnikowych maleje, współczynnik absorpcji maleje, a rzeczywista część współczynnika załamania światła rośnie. Dzięki takiemu efektowi, w praktycznych zastosowaniach, modulację sygnałów o wysokiej częstotliwości można osiągnąć poprzez regulację liczby nośników w falowodzie transmisyjnym. Ostatecznie na wyjściu pojawiają się sygnały 0 i 1, obciążając amplitudę natężenia światła szybkimi sygnałami elektrycznymi. Osiąga się to poprzez złącze PN. Wolnych nośników czystego krzemu jest bardzo mało, a zmiana ich ilości jest niewystarczająca, aby nadążyć za zmianą współczynnika załamania. Dlatego konieczne jest zwiększenie bazy nośników w falowodzie transmisyjnym poprzez domieszkowanie krzemu, aby uzyskać zmianę współczynnika załamania, a tym samym wyższą częstotliwość modulacji.