Представляем кремниевый фотонный модулятор Маха-Цендера (MZM-модулятор).

Представляем кремниевый фотонный модулятор Маха-Цендера.Модулятор MZM

Модулятор Маха-Цендера является наиболее важным компонентом на передающей стороне в кремниевых фотонных модулях 400G/800G. В настоящее время на передающей стороне серийно выпускаемых кремниевых фотонных модулей используются два типа модуляторов: первый — это модулятор PAM4, работающий в одноканальном режиме 100 Гбит/с, который обеспечивает передачу данных со скоростью 800 Гбит/с за счет параллельного 4-канального/8-канального подхода и в основном применяется в центрах обработки данных и графических процессорах. Конечно, в скором времени появится одноканальный кремниевый фотонный модулятор Маха-Цендера на 200 Гбит/с, который после массового производства на скорости 100 Гбит/с будет конкурировать с EML. Второй тип — этоIQ-модуляторПрименяется в когерентной оптической связи на большие расстояния. Под когерентным приемом на данном этапе понимается дальность передачи оптических модулей, составляющая от тысяч километров в городских магистральных сетях до оптических модулей ZR на расстоянии от 80 до 120 километров, а в будущем — даже до оптических модулей LR на расстоянии от 10 километров.

Принцип высокоскоростного движениякремниевые модуляторыЕго можно разделить на две части: оптику и электричество.

Оптическая часть: Основной принцип работы — интерферометр Маха-Цендера. Луч света проходит через разделитель лучей 50/50 и разделяется на два луча с одинаковой энергией, которые продолжают передаваться по двум плечам модулятора. Путем фазового управления одним из плеч (то есть, показатель преломления кремния изменяется нагревателем для изменения скорости распространения в одном плече) осуществляется окончательное объединение лучей на выходе из обоих плеч. Интерференционная фазовая длина (когда пики обоих плеч достигаются одновременно) и интерференционное подавление (когда разность фаз составляет 90°, а пики находятся напротив впадин) достигаются за счет интерференции, тем самым модулируя интенсивность света (что можно понимать как 1 и 0 в цифровых сигналах). Это простое понимание, а также метод управления рабочей точкой в ​​практической работе. Например, в передаче данных мы работаем в точке на 3 дБ ниже пика, а в когерентной связи — в точке отсутствия светового пятна. Однако этот метод управления разностью фаз посредством нагрева и рассеивания тепла для управления выходным сигналом занимает очень много времени и просто не может удовлетворить нашим требованиям по передаче 100 Гбит/с в секунду. Поэтому нам необходимо найти способ достижения более высокой скорости модуляции.

Электрическая часть в основном состоит из участка PN-перехода, который необходимо изменять на высоких частотах, и структуры электродов бегущей волны, которая согласует скорость 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, при котором при изменении концентрации свободных носителей в полупроводниковом материале соответственно изменяются и действительная, и мнимая части показателя преломления материала. При увеличении концентрации носителей в полупроводниковом материале коэффициент поглощения материала увеличивается, а действительная часть показателя преломления уменьшается. Аналогично, при уменьшении количества носителей в полупроводниковом материале коэффициент поглощения уменьшается, а действительная часть показателя преломления увеличивается. Благодаря такому эффекту в практических приложениях модуляция высокочастотных сигналов может быть достигнута путем регулирования количества носителей в волноводе передачи. В конечном итоге на выходе появляются сигналы 0 и 1, которые нагружают амплитуду светового сигнала высокоскоростными электрическими сигналами. Способ достижения этого — использование PN-перехода. В чистом кремнии количество свободных носителей заряда очень мало, и изменение их количества недостаточно для компенсации изменения показателя преломления. Поэтому необходимо увеличить количество носителей заряда в волноводе передачи путем легирования кремния, чтобы добиться изменения показателя преломления и, следовательно, обеспечить более высокую скорость модуляции.