แนะนำโมดูเลเตอร์ซิลิคอนโฟโตนิก Mach-Zehnder โมดูเลเตอร์ MZM

แนะนำโมดูเลเตอร์ Mach-Zehnder ซิลิคอนโฟโตนิกโมดูเลเตอร์ MZM

โมดูเลเตอร์ Mach-Zehnder เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดที่ปลายด้านส่งสัญญาณในโมดูลโฟโตนิกซิลิคอน 400G/800G ปัจจุบันมีโมดูเลเตอร์สองประเภทที่ปลายด้านส่งสัญญาณของโมดูลโฟโตนิกซิลิคอนที่ผลิตจำนวนมาก ประเภทหนึ่งคือโมดูเลเตอร์ PAM4 ที่ใช้โหมดการทำงานแบบช่องสัญญาณเดียว 100Gbps ซึ่งสามารถรับส่งข้อมูล 800Gbps ผ่านวิธีการขนาน 4 ช่องสัญญาณ/8 ช่องสัญญาณ และส่วนใหญ่นำไปใช้ในศูนย์ข้อมูลและ GPU แน่นอนว่าโมดูเลเตอร์ Mach-Zender แบบช่องสัญญาณเดียว 200Gbps ที่จะแข่งขันกับ EML หลังจากการผลิตจำนวนมากที่ความเร็ว 100Gbps ไม่น่าจะอยู่ไกลเกินเอื้อม ประเภทที่สองคือตัวปรับไอคิวประยุกต์ใช้ในการสื่อสารด้วยแสงแบบโคฮีเรนต์ระยะไกล ซิงก์แบบโคฮีเรนต์ที่กล่าวถึงในปัจจุบันหมายถึงระยะการส่งข้อมูลของโมดูลแสงตั้งแต่หลายพันกิโลเมตรในเครือข่ายหลักในเมืองใหญ่ไปจนถึงโมดูลแสงแบบ ZR ตั้งแต่ 80 ถึง 120 กิโลเมตร และแม้กระทั่งโมดูลแสงแบบ LR ตั้งแต่ 10 กิโลเมตรในอนาคต

หลักการความเร็วสูงตัวปรับซิลิคอนสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ส่วน คือ ส่วนแสง และส่วนไฟฟ้า

ส่วนออปติคัล: หลักการพื้นฐานคืออินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบ Mach-Zehnder ลำแสงจะผ่านตัวแยกลำแสง 50-50 และกลายเป็นลำแสงสองลำที่มีพลังงานเท่ากัน ซึ่งยังคงถูกส่งต่อไปในแขนทั้งสองข้างของตัวปรับสัญญาณ โดยการควบคุมเฟสที่แขนข้างหนึ่ง (นั่นคือ ดัชนีหักเหของซิลิคอนจะถูกเปลี่ยนโดยเครื่องทำความร้อนเพื่อเปลี่ยนความเร็วในการแพร่กระจายของแขนข้างหนึ่ง) การรวมลำแสงสุดท้ายจะเกิดขึ้นที่ทางออกของแขนทั้งสองข้าง ความยาวเฟสของสัญญาณรบกวน (ซึ่งจุดสูงสุดของแขนทั้งสองข้างจะถึงพร้อมกัน) และการตัดสัญญาณรบกวน (ซึ่งความแตกต่างของเฟสคือ 90° และจุดสูงสุดอยู่ตรงข้ามกับร่อง) สามารถทำได้โดยการรบกวน ซึ่งจะปรับความเข้มของแสง (ซึ่งสามารถเข้าใจได้ว่าเป็น 1 และ 0 ในสัญญาณดิจิทัล) นี่เป็นความเข้าใจง่ายๆ และยังเป็นวิธีการควบคุมจุดทำงานในการทำงานจริงอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในการสื่อสารข้อมูล เราทำงานที่จุดที่ต่ำกว่าจุดสูงสุด 3 เดซิเบล และในการสื่อสารแบบสอดคล้องกัน เราทำงานที่จุดที่ไม่มีแสง อย่างไรก็ตาม วิธีการควบคุมความต่างเฟสโดยใช้ความร้อนและการกระจายความร้อนเพื่อควบคุมสัญญาณเอาต์พุตนี้ใช้เวลานานมาก และไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเราในการส่งสัญญาณ 100 Gbps ต่อวินาทีได้ ดังนั้นเราจึงต้องหาวิธีที่จะทำให้อัตราการมอดูเลตเร็วขึ้น

ส่วนไฟฟ้าประกอบด้วยส่วนเชื่อมต่อ PN ที่ต้องการเปลี่ยนดัชนีหักเหที่ความถี่สูง และโครงสร้างอิเล็กโทรดคลื่นเคลื่อนที่ที่สอดคล้องกับความเร็วของสัญญาณไฟฟ้าและสัญญาณแสง หลักการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหคือปรากฏการณ์การกระจายตัวของพลาสมา หรือที่เรียกว่าปรากฏการณ์การกระจายตัวของตัวพาอิสระ หมายถึงผลกระทบทางกายภาพที่เมื่อความเข้มข้นของตัวพาอิสระในวัสดุสารกึ่งตัวนำเปลี่ยนแปลง ส่วนจริงและส่วนจินตภาพของดัชนีหักเหของวัสดุก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย เมื่อความเข้มข้นของตัวพาอิสระในวัสดุสารกึ่งตัวนำเพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนของวัสดุจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่ส่วนจริงของดัชนีหักเหจะลดลง ในทำนองเดียวกัน เมื่อตัวพาในวัสดุสารกึ่งตัวนำลดลง ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนจะลดลง ในขณะที่ส่วนจริงของดัชนีหักเหจะเพิ่มขึ้น ด้วยผลกระทบนี้ ในทางปฏิบัติ การปรับสัญญาณความถี่สูงสามารถทำได้โดยการควบคุมจำนวนตัวพาในท่อนำคลื่นส่งสัญญาณ ในที่สุด สัญญาณ 0 และ 1 จะปรากฏขึ้นที่ตำแหน่งเอาต์พุต โหลดสัญญาณไฟฟ้าความเร็วสูงเข้าสู่แอมพลิจูดของความเข้มแสง วิธีการนี้ทำได้โดยผ่านรอยต่อ PN ซิลิคอนบริสุทธิ์มีตัวพาอิสระน้อยมาก และการเปลี่ยนแปลงปริมาณไม่เพียงพอที่จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหแสง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มฐานตัวพาในท่อนำคลื่นส่งโดยการเจือปนซิลิคอนเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหแสง ซึ่งจะทำให้เกิดการมอดูเลตอัตราที่สูงขึ้น