Przedstawiamy krzemowy modulator fotoniczny Mach-Zende Modulator MZM

Przedstawiamy krzemowy modulator fotoniczny Mach-ZendeModulator MZM

TenMach-zende modulowaner jest najważniejszym elementem po stronie nadajnika w krzemowych modułach fotonicznych 400G/800G. Obecnie istnieją dwa typy modulatorów po stronie nadajnika w masowo produkowanych krzemowych modułach fotonicznych: Jednym z nich jest 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. Oczywiście, jednokanałowy 200 Gb/s krzemowy modulator fotoniczny Mach-Zeonde, który będzie konkurował z EML po masowej produkcji przy 100 Gb/s, nie powinien być daleko. Drugim typem jestModulator IQstosowane w dalekosiężnej, spójnej komunikacji optycznej. Wspomniane na obecnym etapie spójne obniżanie odnosi się do odległości transmisji modułów optycznych wynoszącej od tysięcy kilometrów w sieci szkieletowej metropolii do modułów optycznych ZR wynoszących od 80 do 120 kilometrów, a nawet do modułów optycznych LR wynoszących od 10 kilometrów w przyszłości.

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

Część optyczna: Podstawową zasadą jest interferometr Mach-Zeunda. Wiązka światła przechodzi przez rozdzielacz wiązki 50-50 i staje się dwiema wiązkami światła o równej energii, które są nadal przesyłane w dwóch ramionach modulatora. Poprzez kontrolę fazy na jednym z ramion (czyli współczynnik załamania krzemu jest zmieniany przez grzejnik w celu zmiany prędkości propagacji jednego ramienia), ostateczna kombinacja wiązek jest przeprowadzana na wyjściu z obu ramion. Długość fazy interferencyjnej (gdzie szczyty obu ramion osiągają się jednocześnie) i eliminacja interferencji (gdzie różnica faz wynosi 90°, a szczyty są naprzeciwko dolin) można osiągnąć 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 sterowania punktem roboczym w pracy praktycznej. Na przykład w komunikacji danych pracujemy w punkcie o 3 dB niższym od szczytu, a w komunikacji koherentnej pracujemy w punkcie bez punktu świetlnego. Jednakże ta metoda kontrolowania różnicy faz poprzez ogrzewanie i rozpraszanie ciepła w celu kontrolowania sygnału wyjściowego zajmuje bardzo dużo czasu i po prostu nie może spełnić naszego wymogu przesyłania 100 Gpbs na sekundę. Dlatego musimy znaleźć sposób na osiągnięcie szybszej szybkości modulacji.

Sekcja elektryczna składa się głównie z sekcji złącza PN, która musi zmieniać współczynnik załamania przy wysokiej częstotliwości, oraz struktury elektrody fali bieżącej, która dopasowuje prędkość sygnału elektrycznego i sygnału optycznego. Zasadą zmiany współczynnika załamania jest efekt dyspersji plazmy, znany również jako efekt dyspersji nośników swobodnych. Odnosi się on do efektu fizycznego, że gdy stężenie nośników swobodnych w materiale półprzewodnikowym ulega zmianie, rzeczywista i urojona część własnego współczynnika załamania materiału również ulegają zmianie. Gdy stężenie nośników w materiałach półprzewodnikowych wzrasta, współczynnik absorpcji materiału wzrasta, podczas gdy rzeczywista część współczynnika załamania maleje. Podobnie, gdy nośniki w materiałach półprzewodnikowych maleją, współczynnik absorpcji maleje, podczas gdy rzeczywista część współczynnika załamania wzrasta. Dzięki takiemu efektowi w praktycznych zastosowaniach modulację sygnałów o wysokiej częstotliwości można osiągnąć poprzez regulację liczby nośników w falowodzie transmisyjnym. Ostatecznie sygnały 0 i 1 pojawiają się w pozycji wyjściowej, ładując szybkie sygnały elektryczne na amplitudę natężenia światła. Można to osiągnąć przez złącze PN. Wolnych nośników czystego krzemu jest bardzo mało, a zmiana ich ilości jest niewystarczająca, aby sprostać zmianie współczynnika załamania. Dlatego konieczne jest zwiększenie bazy nośników w falowodzie transmisyjnym poprzez domieszkowanie krzemu, aby uzyskać zmianę współczynnika załamania, a tym samym uzyskać wyższą modulację szybkości.