ขอแนะนำตัวปรับสัญญาณ Mach-Zehnder (MZM) แบบโฟตอนิกซิลิคอน

ขอแนะนำตัวปรับสัญญาณ Mach-Zehnder แบบโฟตอนิกซิลิคอนตัวปรับสัญญาณ MZM

ตัวปรับสัญญาณ Mach-Zehnder เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดที่ฝั่งตัวส่งสัญญาณในโมดูลซิลิคอนโฟโตนิกส์ 400G/800G ปัจจุบัน มีตัวปรับสัญญาณสองประเภทที่ฝั่งตัวส่งสัญญาณของโมดูลซิลิคอนโฟโตนิกส์ที่ผลิตในปริมาณมาก: ประเภทแรกคือตัวปรับสัญญาณ PAM4 ที่ใช้โหมดการทำงานแบบช่องสัญญาณเดียว 100Gbps ซึ่งสามารถส่งข้อมูลได้ 800Gbps โดยใช้แนวทางแบบขนาน 4 ช่องสัญญาณ/8 ช่องสัญญาณ และส่วนใหญ่ใช้ในศูนย์ข้อมูลและ GPU แน่นอนว่า ตัวปรับสัญญาณ Mach-Zender ซิลิคอนโฟโตนิกส์แบบช่องสัญญาณเดียว 200Gbps ที่จะแข่งขันกับ EML หลังจากการผลิตในปริมาณมากที่ 100Gbps นั้นคงจะไม่ไกลเกินไป ประเภทที่สองคือ...ตัวปรับไอคิวนำไปประยุกต์ใช้ในระบบสื่อสารด้วยแสงแบบโคherent ระยะไกล ในปัจจุบัน การรับสัญญาณแบบโคherent นี้หมายถึงระยะการส่งสัญญาณของโมดูลแสง ตั้งแต่หลายพันกิโลเมตรในเครือข่ายหลักของเมือง ไปจนถึงโมดูลแสง ZR ที่มีระยะการส่งสัญญาณ 80 ถึง 120 กิโลเมตร และในอนาคตอาจถึงโมดูลแสง LR ที่มีระยะการส่งสัญญาณ 10 กิโลเมตร

หลักการของความเร็วสูงตัวปรับสัญญาณซิลิคอนสามารถแบ่งออกได้เป็นสองส่วน คือ ทัศนศาสตร์และไฟฟ้า

ส่วนประกอบทางแสง: หลักการพื้นฐานคืออินเตอร์เฟอโรเมตรแบบ Mach-Zehnder ลำแสงผ่านตัวแยกแสงแบบ 50-50 และกลายเป็นลำแสงสองลำที่มีพลังงานเท่ากัน ซึ่งจะถูกส่งต่อไปในแขนทั้งสองของตัวปรับสัญญาณ โดยการควบคุมเฟสบนแขนข้างหนึ่ง (นั่นคือ การเปลี่ยนดัชนีหักเหของซิลิคอนโดยใช้ตัวทำความร้อนเพื่อเปลี่ยนความเร็วในการแพร่กระจายของแขนข้างหนึ่ง) การรวมลำแสงสุดท้ายจะเกิดขึ้นที่ทางออกของแขนทั้งสอง ความยาวเฟสการรบกวน (ที่จุดสูงสุดของแขนทั้งสองมาถึงพร้อมกัน) และการยกเลิกการรบกวน (ที่ความแตกต่างของเฟสคือ 90° และจุดสูงสุดอยู่ตรงข้ามกับจุดต่ำสุด) สามารถทำได้ผ่านการรบกวน ซึ่งจะปรับความเข้มของแสง (ซึ่งสามารถเข้าใจได้ว่าเป็น 1 และ 0 ในสัญญาณดิจิทัล) นี่เป็นความเข้าใจอย่างง่ายและเป็นวิธีการควบคุมสำหรับจุดทำงานในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น ในการสื่อสารข้อมูล เราทำงานที่จุดต่ำกว่าจุดสูงสุด 3dB และในการสื่อสารแบบโคฮีเรนต์ เราทำงานที่จุดที่ไม่มีแสง อย่างไรก็ตาม วิธีการควบคุมความแตกต่างของเฟสผ่านการให้ความร้อนและการกระจายความร้อนเพื่อควบคุมสัญญาณเอาต์พุตนั้นใช้เวลานานมากและไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการส่งข้อมูล 100 Gbps ต่อวินาทีของเราได้ ดังนั้นเราจึงต้องหาวิธีการที่จะทำให้ได้อัตราการมอดูเลชั่นที่เร็วกว่านี้

ส่วนประกอบทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนเชื่อมต่อ PN ที่ต้องเปลี่ยนดัชนีหักเหที่ความถี่สูง และโครงสร้างอิเล็กโทรดคลื่นเดินทางที่สอดคล้องกับความเร็วของสัญญาณไฟฟ้าและสัญญาณแสง หลักการของการเปลี่ยนดัชนีหักเหคือปรากฏการณ์การกระจายตัวของพลาสมา หรือที่เรียกว่าปรากฏการณ์การกระจายตัวของพาหะอิสระ ซึ่งหมายถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ว่า เมื่อความเข้มข้นของพาหะอิสระในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เปลี่ยนแปลง ส่วนจริงและส่วนจินตนาการของดัชนีหักเหของวัสดุนั้นก็จะเปลี่ยนแปลงไปตามไปด้วย เมื่อความเข้มข้นของพาหะในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของวัสดุจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่ส่วนจริงของดัชนีหักเหจะลดลง ในทำนองเดียวกัน เมื่อพาหะในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ลดลง ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงจะลดลง ในขณะที่ส่วนจริงของดัชนีหักเหจะเพิ่มขึ้น ด้วยปรากฏการณ์ดังกล่าว ในการใช้งานจริง สามารถปรับสัญญาณความถี่สูงได้โดยการควบคุมจำนวนพาหะในท่อส่งสัญญาณ ในที่สุด สัญญาณ 0 และ 1 จะปรากฏขึ้นที่ตำแหน่งเอาต์พุต โดยโหลดสัญญาณไฟฟ้าความเร็วสูงลงบนแอมพลิจูดของความเข้มแสง วิธีการที่จะบรรลุเป้าหมายนี้คือผ่านทางรอยต่อ PN เนื่องจากซิลิคอนบริสุทธิ์มีตัวนำอิสระน้อยมาก และการเปลี่ยนแปลงปริมาณไม่เพียงพอที่จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเห ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มฐานตัวนำในท่อนำคลื่นโดยการเจือซิลิคอนเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเห ซึ่งจะทำให้สามารถปรับความถี่ได้ในอัตราที่สูงขึ้น