แนะนำโมดูเลเตอร์ Mach-Zende ซิลิคอนโฟตอนิกส์ MZM

แนะนำโมดูเลเตอร์ Mach-Zende ของโฟตอนิกซิลิคอนโมดูเลเตอร์ MZM

การมัคเซนเด โมดูลาโตr เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดที่ปลายเครื่องส่งสัญญาณในโมดูลโฟโตนิกซิลิคอน 400G/800G ปัจจุบันมีโมดูเลเตอร์สองประเภทที่ปลายเครื่องส่งสัญญาณของโมดูลโฟโตนิกซิลิคอนที่ผลิตจำนวนมาก ประเภทหนึ่งคือโมดูเลเตอร์ PAM4 ที่ใช้โหมดการทำงาน 100Gbps ช่องสัญญาณเดียว ซึ่งบรรลุการส่งข้อมูล 800Gbps ผ่านแนวทางขนาน 4 ช่องสัญญาณ/8 ช่องสัญญาณ และส่วนใหญ่ใช้ในศูนย์ข้อมูลและ GPU แน่นอนว่าโมดูเลเตอร์ Mach-Zeonde โฟโตนิกซิลิคอน 200Gbps ช่องสัญญาณเดียวที่จะแข่งขันกับ EML หลังจากการผลิตจำนวนมากที่ 100Gbps น่าจะไม่ไกลเกินเอื้อม ประเภทที่สองคือตัวปรับไอคิวใช้ในการสื่อสารด้วยแสงแบบต่อเนื่องระยะไกล การซิงค์แบบต่อเนื่องที่กล่าวถึงในปัจจุบันหมายถึงระยะทางในการส่งสัญญาณของโมดูลออปติกตั้งแต่หลายพันกิโลเมตรในเครือข่ายหลักในเขตเมืองไปจนถึงโมดูลออปติก ZR ตั้งแต่ 80 ถึง 120 กิโลเมตร และแม้กระทั่งโมดูลออปติก LR ตั้งแต่ 10 กิโลเมตรในอนาคต

หลักการความเร็วสูงโมดูเลเตอร์ซิลิคอนสามารถแบ่งได้เป็น 2 ส่วน คือ ส่วนออปติก และส่วนไฟฟ้า

ส่วนออปติก: หลักการพื้นฐานคืออินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบมัค-เซอุนด์ ลำแสงจะผ่านตัวแยกลำแสง 50-50 และกลายเป็นลำแสงสองลำที่มีพลังงานเท่ากัน ซึ่งยังคงถูกส่งต่อไปในแขนทั้งสองข้างของตัวปรับสัญญาณ โดยการควบคุมเฟสที่แขนข้างหนึ่ง (กล่าวคือ ดัชนีหักเหของซิลิกอนจะถูกเปลี่ยนโดยเครื่องทำความร้อนเพื่อเปลี่ยนความเร็วการแพร่กระจายของแขนข้างหนึ่ง) ชุดลำแสงสุดท้ายจะดำเนินการที่ทางออกของแขนทั้งสองข้าง ความยาวเฟสของการรบกวน (ซึ่งจุดสูงสุดของแขนทั้งสองข้างจะมาถึงพร้อมกัน) และการขจัดการรบกวน (ซึ่งความแตกต่างของเฟสคือ 90° และจุดสูงสุดอยู่ตรงข้ามกับร่อง) สามารถทำได้โดยการรบกวน จึงปรับความเข้มของแสงได้ (ซึ่งสามารถเข้าใจได้ว่าเป็น 1 และ 0 ในสัญญาณดิจิทัล) นี่เป็นความเข้าใจง่ายๆ และยังเป็นวิธีการควบคุมจุดทำงานในการทำงานจริงอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในการสื่อสารข้อมูล เราทำงานที่จุดที่ต่ำกว่าจุดสูงสุด 3dB และในการสื่อสารแบบสอดคล้องกัน เราทำงานที่จุดที่ไม่มีแสง อย่างไรก็ตาม วิธีการควบคุมความแตกต่างของเฟสโดยใช้ความร้อนและการกระจายความร้อนเพื่อควบคุมสัญญาณเอาต์พุตนั้นใช้เวลานานมากและไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการส่งสัญญาณ 100 Gpbs ต่อวินาทีได้ ดังนั้น เราจึงต้องหาทางที่จะบรรลุอัตราการมอดูเลตที่เร็วขึ้น

ส่วนไฟฟ้าประกอบด้วยส่วนต่อ PN ที่ต้องการเปลี่ยนดัชนีการหักเหของแสงที่ความถี่สูงและโครงสร้างอิเล็กโทรดคลื่นเดินทางที่ตรงกับความเร็วของสัญญาณไฟฟ้าและสัญญาณออปติก หลักการของการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงคือเอฟเฟกต์การกระจายของพลาสมา ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเอฟเฟกต์การกระจายของตัวพาอิสระ หมายถึงเอฟเฟกต์ทางกายภาพที่เมื่อความเข้มข้นของตัวพาอิสระในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เปลี่ยนแปลง ส่วนจริงและส่วนจินตภาพของดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุเองก็เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย เมื่อความเข้มข้นของตัวพาอิสระในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนของวัสดุจะเพิ่มขึ้นในขณะที่ส่วนจริงของดัชนีการหักเหของแสงจะลดลง ในทำนองเดียวกัน เมื่อตัวพาในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ลดลง ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนจะลดลงในขณะที่ส่วนจริงของดัชนีการหักเหของแสงจะเพิ่มขึ้น ด้วยเอฟเฟกต์ดังกล่าว ในการใช้งานจริง การปรับสัญญาณความถี่สูงสามารถทำได้โดยการควบคุมจำนวนตัวพาในท่อนำคลื่นส่งสัญญาณ ในที่สุด สัญญาณ 0 และ 1 จะปรากฏขึ้นที่ตำแหน่งเอาต์พุต โดยโหลดสัญญาณไฟฟ้าความเร็วสูงลงบนแอมพลิจูดของความเข้มของแสง วิธีการที่จะบรรลุสิ่งนี้คือผ่านรอยต่อ PN ตัวพาอิสระของซิลิกอนบริสุทธิ์มีน้อยมาก และการเปลี่ยนแปลงในปริมาณไม่เพียงพอที่จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหแสง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องเพิ่มฐานตัวพาในท่อนำคลื่นส่งสัญญาณโดยการเจือปนซิลิกอนเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหแสง จึงบรรลุการปรับอัตราที่สูงขึ้น