Einführung des Silizium-Photonik-Mach-Zehnder-ModulatorsMZM-Modulator
Der Mach-Zehnder-Modulator ist die wichtigste Komponente am Senderende von 400G/800G-Siliziumphotonikmodulen. Aktuell gibt es zwei Modulatortypen für den Sender in serienmäßig gefertigten Siliziumphotonikmodulen: Der erste Typ ist der PAM4-Modulator, der auf einem einkanaligen 100-Gbit/s-Betrieb basiert und durch einen 4- bzw. 8-Kanal-Parallelansatz eine Datenübertragungsrate von 800 Gbit/s erreicht. Er wird hauptsächlich in Rechenzentren und GPUs eingesetzt. Ein einkanaliger 200-Gbit/s-Siliziumphotonik-Mach-Zehnder-Modulator, der nach der Serienproduktion mit 100 Gbit/s mit dem EML konkurrieren wird, dürfte nicht mehr lange auf sich warten lassen. Der zweite Typ ist derIQ-ModulatorAnwendung findet dies in der kohärenten optischen Fernkommunikation. Die hier erwähnte kohärente Übertragung bezieht sich auf die Übertragungsdistanz optischer Module, die von Tausenden von Kilometern im städtischen Backbone-Netzwerk bis hin zu ZR-Modulen mit 80 bis 120 Kilometern und zukünftig sogar zu LR-Modulen mit 10 Kilometern reicht.
Das Prinzip der HochgeschwindigkeitSiliziummodulatorenlässt sich in zwei Teile unterteilen: Optik und Elektrizität.
Optischer Teil: Das Grundprinzip ist ein Mach-Zehnder-Interferometer. Ein Lichtstrahl durchläuft einen 50/50-Strahlteiler und teilt sich in zwei Strahlen gleicher Energie, die in den beiden Armen des Modulators weitergeleitet werden. Durch Phasensteuerung in einem der Arme (d. h. durch Änderung des Brechungsindex von Silizium mittels eines Heizelements, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Arm zu beeinflussen) erfolgt die finale Strahlkombination am Ausgang beider Arme. Interferenzphasenlänge (bei der die Maxima beider Arme gleichzeitig erreicht werden) und Interferenzunterdrückung (bei der die Phasendifferenz 90° beträgt und die Maxima den Minima gegenüberliegen) lassen sich durch Interferenz erzielen und somit die Lichtintensität modulieren (was digitalen Signalen als 1 und 0 entspricht). Dies ist ein einfaches Verständnis und gleichzeitig eine Methode zur Steuerung des Arbeitspunktes in der Praxis. Beispielsweise arbeitet man in der Datenkommunikation an einem Punkt 3 dB unterhalb des Maximums, und in der kohärenten Kommunikation arbeitet man im Nullpunkt. Diese Methode, die Phasendifferenz durch Erwärmung und Wärmeabfuhr zu steuern, um das Ausgangssignal zu regeln, ist jedoch sehr zeitaufwendig und erfüllt unsere Anforderung einer Übertragungsrate von 100 Gbit/s nicht. Daher müssen wir eine Möglichkeit finden, eine höhere Modulationsrate zu erzielen.
Der elektrische Teil besteht im Wesentlichen aus dem PN-Übergang, der den Brechungsindex bei hohen Frequenzen ändert, und der Wanderwellenelektrodenstruktur, die die Geschwindigkeit des elektrischen und des optischen Signals aufeinander abstimmt. Das Prinzip der Brechungsindexänderung ist der Plasmadispersionseffekt, auch bekannt als Freiträgerdispersionseffekt. Dieser beschreibt den physikalischen Effekt, dass sich Real- und Imaginärteil des Brechungsindex eines Halbleitermaterials entsprechend ändern, wenn sich die Konzentration freier Ladungsträger ändert. Steigt die Ladungsträgerkonzentration im Halbleitermaterial, erhöht sich der Absorptionskoeffizient, während der Realteil des Brechungsindex sinkt. Umgekehrt sinkt bei sinkender Ladungsträgerkonzentration der Absorptionskoeffizient, während der Realteil des Brechungsindex steigt. In praktischen Anwendungen kann dieser Effekt genutzt werden, um Hochfrequenzsignale durch die Steuerung der Ladungsträgeranzahl im Übertragungswellenleiter zu modulieren. Am Ausgang erscheinen schließlich 0- und 1-Signale, die die Lichtintensität durch Hochgeschwindigkeitssignale modulieren. Dies wird durch den PN-Übergang realisiert. Reines Silizium besitzt nur sehr wenige freie Ladungsträger, und deren Anzahl reicht nicht aus, um die Brechungsindexänderung zu kompensieren. Daher ist es notwendig, die Ladungsträgerbasis im Transmissionswellenleiter durch Dotierung des Siliziums zu erhöhen, um die Brechungsindexänderung und damit eine höhere Modulationsrate zu erzielen.
Veröffentlichungsdatum: 12. Mai 2025