Представляем кремниевый фотонный модулятор Маха-Цендера (модулятор MZM)

Представляем кремниевый фотонный модулятор Маха-ЦендераМЗМ-модулятор

Модулятор Маха-Цендера — важнейший компонент на передающей стороне кремниевых фотонных модулей 400G/800G. В настоящее время на передающей стороне серийно выпускаемых кремниевых фотонных модулей используются два типа модуляторов: один тип — это модулятор PAM4, работающий в одноканальном режиме со скоростью 100 Гбит/с, который обеспечивает передачу данных со скоростью 800 Гбит/с благодаря 4-канальному/8-канальному параллельному подходу и применяется в основном в центрах обработки данных и графических процессорах. Конечно, одноканальный кремниевый фотонный модулятор Маха-Цендера со скоростью 200 Гбит/с, который сможет конкурировать с EML после начала массового производства со скоростью 100 Гбит/с, не за горами. Второй тип — этомодулятор IQПрименяется в когерентной оптической связи на большие расстояния. Упомянутое на данном этапе когерентное погружение относится к дальности передачи оптических модулей от тысяч километров в городской магистральной сети до оптических модулей ZR от 80 до 120 километров, а в будущем даже к оптическим модулям LR до 10 километров.

Принцип высокоскоростногокремниевые модуляторыможно разделить на две части: оптику и электричество.

Оптическая часть: В основе лежит интерферометр Маха-Цендера. Луч света проходит через светоделитель 50/50 и разделяется на два луча с одинаковой энергией, которые затем передаются по двум плечам модулятора. Благодаря фазовому управлению на одном из плеч (то есть, нагревателем, изменяя показатель преломления кремния для изменения скорости распространения света в одном плече), окончательное сложение лучей происходит на выходе обоих плеч. Интерференционная длина фазы (когда пики обоих плеч достигаются одновременно) и подавление интерференции (когда разность фаз составляет 90°, а пики находятся напротив впадин) могут быть достигнуты посредством интерференции, тем самым модулируя интенсивность света (которую в цифровых сигналах можно понимать как 1 и 0). Это простое понимание и также метод управления рабочей точкой на практике. Например, в передаче данных мы работаем в точке на 3 дБ ниже пика, а в когерентной связи мы работаем в точке, где световое пятно отсутствует. Однако этот метод управления разностью фаз посредством нагрева и рассеивания тепла для управления выходным сигналом занимает очень много времени и просто не может удовлетворить наши требования по передаче 100 Гбит/с. Поэтому нам необходимо найти способ добиться более высокой скорости модуляции.

Электрическая часть в основном состоит из секции p-n-перехода, которая должна изменять показатель преломления на высокой частоте, и структуры электрода бегущей волны, которая согласует скорости электрического и оптического сигналов. Принцип изменения показателя преломления основан на эффекте плазменной дисперсии, также известном как эффект дисперсии свободных носителей. Он относится к физическому эффекту, заключающемуся в том, что при изменении концентрации свободных носителей в полупроводниковом материале соответствующим образом изменяются действительная и мнимая части собственного показателя преломления материала. При увеличении концентрации носителей в полупроводниковых материалах коэффициент поглощения материала увеличивается, а действительная часть показателя преломления уменьшается. Аналогично, при уменьшении концентрации носителей в полупроводниковых материалах коэффициент поглощения уменьшается, а действительная часть показателя преломления увеличивается. Благодаря такому эффекту в практических приложениях модуляция высокочастотных сигналов может быть достигнута путем регулирования числа носителей в передающем волноводе. В конечном итоге на выходе появляются сигналы 0 и 1, накладывая высокоскоростные электрические сигналы на амплитуду интенсивности света. Это достигается с помощью p-n-перехода. Свободных носителей заряда в чистом кремнии очень мало, и изменение их количества недостаточно для компенсации изменения показателя преломления. Поэтому для достижения изменения показателя преломления необходимо увеличить базу носителей в передающем волноводе путем легирования кремния, что позволит достичь более высокой частоты модуляции.