Introductie van de siliciumfotonische Mach-Zehnder-modulatorMZM-modulator
De Mach-Zehnder-modulator is de belangrijkste component aan de zenderzijde in 400G/800G siliciumfotonische modules. Momenteel zijn er twee typen modulatoren aan de zenderzijde van in massaproductie vervaardigde siliciumfotonische modules: het eerste type is de PAM4-modulator, gebaseerd op een single-channel 100 Gbps-werkmodus, die 800 Gbps-datatransmissie realiseert via een 4-kanaals/8-kanaals parallelle aanpak en voornamelijk wordt toegepast in datacenters en GPU's. Een single-channel 200 Gbps siliciumfotonische Mach-Zehnder-modulator die na massaproductie op 100 Gbps zal concurreren met EML, zal uiteraard niet lang op zich laten wachten. Het tweede type is deIQ-modulatorToegepast in coherente optische communicatie over lange afstanden. De coherente sinking waar in dit stadium naar wordt verwezen, betreft transmissieafstanden van optische modules variërend van duizenden kilometers in het stedelijke backbone-netwerk tot ZR-optische modules van 80 tot 120 kilometer, en in de toekomst zelfs tot LR-optische modules van slechts 10 kilometer.
Het principe van hoge snelheidsiliciummodulatorenHet kan worden onderverdeeld in twee delen: optica en elektriciteit.
Optisch gedeelte: Het basisprincipe is een Mach-Zehnder-interferometer. Een lichtbundel passeert een 50-50 bundelsplitser en splitst zich in twee lichtbundels met gelijke energie, die vervolgens door de twee armen van de modulator worden geleid. Door fasecontrole op een van de armen (dat wil zeggen, de brekingsindex van silicium wordt gewijzigd door een verwarmingselement om de voortplantingssnelheid van die arm te veranderen) wordt de uiteindelijke bundelcombinatie aan de uitgang van beide armen gerealiseerd. Interferentiefaselengte (waarbij de pieken van beide armen samenvallen) en interferentieonderdrukking (waarbij het faseverschil 90° is en de pieken tegenover de dalen liggen) kunnen worden bereikt door interferentie, waardoor de lichtintensiteit wordt gemoduleerd (wat kan worden geïnterpreteerd als 1 en 0 in digitale signalen). Dit is een eenvoudige uitleg en tevens een controlemethode voor het werkpunt in de praktijk. Bijvoorbeeld, in datacommunicatie werken we op een punt 3 dB lager dan de piek, en in coherente communicatie werken we op een punt zonder lichtvlek. Deze methode om het faseverschil te regelen door middel van verwarming en warmteafvoer om het uitgangssignaal te sturen, duurt echter erg lang en voldoet simpelweg niet aan onze eis van 100 Gbps per seconde. Daarom moeten we een manier vinden om een snellere modulatiesnelheid te bereiken.
Het elektrische gedeelte bestaat hoofdzakelijk uit het PN-junctiegedeelte, dat de brekingsindex bij hoge frequenties moet veranderen, en de elektrodestructuur met lopende golven, die de snelheid van het elektrische signaal en het optische signaal op elkaar afstemt. Het principe van het veranderen van de brekingsindex is het plasmadispersie-effect, ook wel bekend als het vrije-dragerdispersie-effect. Dit verwijst naar het fysische effect waarbij, wanneer de concentratie van vrije dragers in een halfgeleidermateriaal verandert, het reële en imaginaire deel van de brekingsindex van het materiaal dienovereenkomstig veranderen. Wanneer de dragerconcentratie in halfgeleidermaterialen toeneemt, neemt de absorptiecoëfficiënt van het materiaal toe, terwijl het reële deel van de brekingsindex afneemt. Omgekeerd, wanneer het aantal dragers in halfgeleidermaterialen afneemt, neemt de absorptiecoëfficiënt af, terwijl het reële deel van de brekingsindex toeneemt. Met dit effect kan in praktische toepassingen de modulatie van hoogfrequente signalen worden bereikt door het aantal dragers in de transmissiegolfgeleider te reguleren. Uiteindelijk verschijnen er 0- en 1-signalen op de uitgang, waardoor snelle elektrische signalen worden gekoppeld aan de amplitude van de lichtintensiteit. Dit kan bereikt worden via de PN-overgang. Zuiver silicium heeft zeer weinig vrije ladingsdragers, en de verandering in aantal is onvoldoende om de verandering in brekingsindex te compenseren. Daarom is het nodig om de ladingsdragerbasis in de transmissiegolfgeleider te vergroten door silicium te doteren, zodat de verandering in brekingsindex en daarmee een hogere modulatiesnelheid mogelijk wordt.
Geplaatst op: 12 mei 2025