Einführung des Silizium-Photonik-Mach-Zende-ModulatorsMZM-Modulator
DerMach-zende modulator ist die wichtigste Komponente am Senderende von 400G/800G Silizium-Photonik-Modulen. Derzeit gibt es zwei Arten von Modulatoren am Senderende von massenproduzierten Silizium-Photonik-Modulen: Ein Typ ist der PAM4-Modulator, der auf einem einkanaligen 100-Gbit/s-Arbeitsmodus basiert und eine Datenübertragung von 800 Gbit/s durch einen 4-Kanal-/8-Kanal-Parallel-Ansatz erreicht und hauptsächlich in Rechenzentren und GPUs eingesetzt wird. Natürlich dürfte ein einkanaliger 200-Gbit/s-Silizium-Photonik-Mach-Zeonde-Modulator, der nach der Massenproduktion mit 100 Gbit/s mit EML konkurrieren kann, nicht weit entfernt sein. Der zweite Typ ist derIQ-ModulatorAnwendung in der kohärenten optischen Fernkommunikation. Die derzeit erwähnte kohärente Senkung bezieht sich auf die Übertragungsdistanz optischer Module von Tausenden von Kilometern im städtischen Backbone-Netzwerk bis hin zu ZR-Optikmodulen von 80 bis 120 Kilometern und in Zukunft sogar auf LR-Optikmodule von 10 Kilometern.
Das Prinzip der HochgeschwindigkeitSiliziummodulatorenkann in zwei Teile unterteilt werden: Optik und Elektrizität.
Optischer Teil: Das Grundprinzip ist ein Mach-Zeund-Interferometer. Ein Lichtstrahl durchläuft einen 50:50-Strahlteiler und wird in zwei gleich energiereiche Lichtstrahlen zerlegt, die in den beiden Modulatorarmen weiterlaufen. Durch Phasenregelung an einem der Arme (d. h. der Brechungsindex von Silizium wird durch eine Heizung verändert, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Arms zu verändern) erfolgt die endgültige Strahlvereinigung am Ausgang beider Arme. Durch Interferenz werden die Interferenzphasenlänge (wo die Spitzen beider Arme gleichzeitig aneinanderstoßen) und die Interferenzauslöschung (wo die Phasendifferenz 90° beträgt und die Spitzen den Tälern gegenüberliegen) erreicht, wodurch die Lichtintensität moduliert wird (was in digitalen Signalen als 1 und 0 verstanden werden kann). Dies ist ein einfaches Verständnis und gleichzeitig eine Kontrollmethode für den Arbeitspunkt in der Praxis. Beispielsweise arbeiten wir in der Datenkommunikation an einem Punkt, der 3 dB unter dem Spitzenwert liegt, und in der kohärenten Kommunikation arbeiten wir an keinem Lichtpunkt. Diese Methode zur Steuerung der Phasendifferenz durch Erwärmung und Wärmeableitung zur Steuerung des Ausgangssignals ist jedoch sehr zeitaufwändig und kann unsere Anforderung einer Übertragungsrate von 100 Gbit/s pro Sekunde einfach nicht erfüllen. Daher müssen wir einen Weg finden, eine schnellere Modulationsrate zu erreichen.
Der elektrische Bereich besteht hauptsächlich aus dem PN-Übergang, der den Brechungsindex bei hoher Frequenz ändern muss, und der Wanderwellenelektrodenstruktur, die die Geschwindigkeit des elektrischen und des optischen Signals anpasst. Das Prinzip der Brechungsindexänderung beruht auf dem Plasmadispersionseffekt, auch bekannt als Freiträgerdispersionseffekt. Er beschreibt den physikalischen Effekt, dass sich bei einer Änderung der Konzentration freier Träger in einem Halbleitermaterial auch Real- und Imaginärteil des Brechungsindex des Materials entsprechend ändern. Steigt die Trägerkonzentration in Halbleitermaterialien, erhöht sich der Absorptionskoeffizient des Materials, während der Realteil des Brechungsindex sinkt. Ähnlich verhält es sich mit abnehmenden Trägern in Halbleitermaterialien: Der Absorptionskoeffizient sinkt, während der Realteil des Brechungsindex steigt. Mit diesem Effekt lässt sich in praktischen Anwendungen die Modulation von Hochfrequenzsignalen durch Regulierung der Trägeranzahl im Übertragungswellenleiter erreichen. Schließlich erscheinen am Ausgang Null- und Eins-Signale, die die Amplitude der Lichtintensität mit schnellen elektrischen Signalen aufladen. Dies wird durch den PN-Übergang erreicht. In reinem Silizium gibt es nur sehr wenige freie Träger, und die Mengenänderung reicht nicht aus, um die Änderung des Brechungsindex auszugleichen. Daher ist es notwendig, die Trägerbasis im Übertragungswellenleiter durch Dotierung von Silizium zu erhöhen, um die Änderung des Brechungsindex zu erreichen und so eine höhere Modulationsrate zu erzielen.
Veröffentlichungszeit: 12. Mai 2025