Optik modulyatorlar yuqori chastotali signallarga mos keladi

 

Tezlikka mos keladigan dahshatli tush

Sayohat{0}}to‘lqinli Mach-Zehnder modulyatorlarini tavsiflashda darsliklar nimalarni yoritadi.

Lityum niobatda mikroto'lqinli indeks 4,2 atrofida, optik indeks esa 2,2 ga yaqin turadi. Bu nomuvofiqlik radio chastotasi signallari va yorug'lik to'lqinlari sizning elektrod tuzilishingiz orqali vahshiyona turli tezliklarda tarqalishini anglatadi. Past chastotalarda hech kimga - oʻzaro taʼsir uzunligi yetarlicha qisqa boʻlgani uchun fazaning oʻtish jarayoni ahamiyatsiz boʻlib qoladi. Gigagerts rejimiga o'ting va to'satdan sizning go'zal mo'ljallangan modulyatoringiz o'tkazish qobiliyatini ko'rsatadi, bu esa ma'lumotlar jadvali raqamlarini xayolga o'xshatadi.

Tuzatish murakkab elektrod muhandisligini o'z ichiga oladi. Siz bufer qatlamlarini qalinlashtirasiz, bo'shliqlarni kengaytirasiz, sig'imli yuklash tuzilmalarini qo'shasiz, asosan mikroto'lqinli pechni sekinlashtirish uchun hamma narsa va jarayonda modulyatsiya samaradorligini yo'qotmaydi. Yupqa{2}}plyonkali litiy niobat o'yinni biroz o'zgartirdi - yorug'likni pastki mikron to'lqin yo'llari bilan cheklab, tabiiy ravishda samarali optik ko'rsatkichni pasaytiradi va tezlikni mos keladigan an'anaviy ommaviy qurilmalarni talab qilmasdan olib keladi.

2019-yilda men uch oy davomida 40 gigagertsli modulyator dizaynini tuzatishga sarfladim, bunda simulyatsiya qilingan tarmoqli kengligi ajoyib ko‘rinardi va o‘lchangan javob 25 gigagertsdan yuqori bo‘ldi. Aybdor yer tekisligidagi parazit induktivlik bo'lib chiqdi, uni hech kim to'g'ri modellashtirmagan. Uch oy.

 

Nima uchun lityum niobat hali ham g'alaba qozonadi (asosan)

Yarimoʻtkazgichli fotonikning oʻnlab yillar davomida rivojlanishiga qaramay, LiNbO₃ telekommunikatsiya va RF fotonik havolalarida yuqori samarali modulyatorlar uchun standart tanlov boʻlib qolmoqda. Sabablari sirli emas: r₃₃ koeffitsienti taxminan 31 pm/V, optik shaffoflik 350 nm dan 5 mkm gacha va izchil natijalarni beruvchi etuk ishlab chiqarish infratuzilmasi.

Yupqa{0}}kino inqilobi - pastki{2}}mikron LN qatlamlarini kremniy yoki kremniy nitridli substratlarga - bog‘lash, ommaviy qurilmalarda erisha olmaydigan unumdorlikni ochib berdi. Oxirgi namoyishlar 3{7}}dB tarmoqli kengligini 110 GGts dan-oshib, 2,2 V·sm atrofida kuchlanishli mahsulotlar-ko‘tardi. Buni 5-6 V·sm ni talab qiladigan an'anaviy titan diffuzli to'lqin o'tkazgichlari bilan solishtiring va 2018 yilda nima uchun hamma birdan TFLNga qiziqib qolganini tushunasiz.

Ammo materialda sotuvchilar marketing adabiyotida ta'kidlamaydigan muammolar mavjud.

 

Fotorefraktiv shikastlanish haqiqiy va zerikarli

 

Z-kesish va X-kesish: abadiy kelishuv

Kristal orientatsiyasi modulyatoringiz jiringlashini aniqlaydi.

Z-kesilgan qurilmalar elektrodlarni to‘g‘ridan-to‘g‘ri to‘lqin o‘tkazgichning tepasida va ostiga joylashtiradi, bu esa elektr maydonining optik rejim bilan bir-biriga mos kelishini maksimal darajada oshiradi. Siz pastroq Vp olasiz, bu to'liq modulyatsiya chuqurligi uchun kamroq chastotali haydovchi quvvatini talab qiladi. Tutqich ikki interferometr qo'li orasidagi assimetrik faza modulyatsiyasini o'z ichiga oladi - siz intensivlikni pastga bossangiz, bir vaqtning o'zida signalingizga kiruvchi chastota o'zgarishlarini kiritasiz.

X-kesilgan konfiguratsiyalar elektrodlarni simmetrik surish tartibida-to‘lqin o‘tkazgich yoniga joylashtiradi. Ikkala qo'l ham teng va qarama-qarshi fazali siljishlarni boshdan kechiradi. Nol chiyillash. Toza amplituda modulyatsiyasi. Biroq, maydonning bir-biriga o'xshashligi zarar ko'radi, bu esa Vp-ni balandroq haydash va kuchliroq RF kuchaytirgichlarini talab qiladi.

NRZ 10 Gb/s tezlikda ishlaydigan raqamli aloqa uchun chirp haqiqatda - yordam berishi mumkin, u ma'lum tola uzunliklarida xromatik dispersiyani qisman qoplashi mumkin. Chiziqlilik muhim bo'lgan analog chastotali fotonik havolalar uchun X-kesish majburiy bo'ladi.

 

Elektroabsorbtsiya boshqacha ishlaydi

Yarimoʻtkazgich{0}}asosidagi EAMlar sindirish koʻrsatkichi oʻzgarishidan koʻra-chetning yutilish diapazoni oʻzgarishidan foydalanadi. Kvant qudug'i strukturasi bo'ylab teskari yo'nalishni qo'llang va kvant{3}}cheklangan Stark effekti - orqali yutilish chekkasi qizil siljiydi, qo'zg'alish to'lqin funksiyalari buziladi, bog'lanish energiyalari kamayadi va ilgari uzatilgan fotonlar endi so'riladi.

Ushbu yondashuvning go'zalligi: sub{0}}voltli haydovchi talablari va III-V lazerli integratsiya bilan ichki muvofiqlik. Siz DFB lazer va modulyatoringizni bir xil InP chipida ishlab chiqarishingiz mumkin, bu esa tolalarni ulash yo'qotishlarini va hizalanish bosh og'rig'ini yo'q qiladi.

Xunuklik: LiNbO₃ ni taqqoslash orqali keng polosali ko'rinishga olib keladigan to'lqin uzunligi sezgirligi. Agar sizning lazeringiz bir necha nanometrga siljisa, EAM yo'q bo'lib ketish nisbati pasayadi. Haroratni nazorat qilish-kelishib bo'lmaydi.

Shuningdek, yutilish tabiiy ravishda fototokni hosil qiladi. Yuqori optik quvvatlarda bu oqim kvant quduqlari bo'ylab elektr maydon taqsimotini o'zgartiradi, bu esa modulyatsiya samaradorligini quvvatga bog'liq bo'lishiga olib keladi-bog'lanish dizaynini murakkablashtiradi.

 

Aslida tarmoqli kengligini nima cheklaydi

Odamlar bir nechta aniq tarmoqli kengligi cheklovlarini birlashtiradi va bu chalkashliklarni keltirib chiqaradi.

Elektr tarmoqli kengligi ulanish sig‘imi va elektrod qarshiligidan kelib chiqadigan RC vaqt konstantalariga, shuningdek,-tezlik mos kelmasligi va mikroto‘lqinni yo‘qotish kabi harakatlanuvchi to‘lqin effektlariga bog‘liq. Bu omillar odatda yaxshi loyihalashtirilgan-qurilmalarda ustunlik qiladi.

Optik tarmoqli kengligi - modulyatsiya samaradorligi taxminan doimiy boʻlib qoladigan toʻlqin uzunligi diapazoni degan maʼnoni anglatadi - material dispersiyasi va toʻlqin oʻtkazgich dizayniga bogʻliq. Lityum niobat qurilmalari uchun bu odatda juda katta bo'lib, yuzlab nanometrlarni qamrab oladi. Agar omadingiz bo'lsa, EAMlar uchun bu 20-30 nm bo'lishi mumkin.

Pockels effekti uchun materialning ichki javob vaqti femtosekund rejimida o'tiradi. Hech kim bu chegarani ko'rish uchun etarlicha tez modulyator yaratmagan. Frants{2}}Keldish effekti ham xuddi shunday tez javob beradi. Sotuvchilar "1 ps javob vaqti" ni keltirishsa, ular asosiy fizika emas, balki RC-cheklangan elektr almashinuvi haqida gapiradi.

 

 

Empedans mosligi siz o'ylagandan ko'ra muhimroqdir

Standart RF tizimlari hamma joyda 50Ō ni qabul qiladi. Optik modulyatorlar ko'pincha - chastotasiga qarab o'zgarib turadigan reaktiv yuklarni taqdim etadilar, ular elektrod qarshiligi mavjud bo'lsa ham, kristall yo'qolgan kondansatör sifatida parallel ravishda ishlaydi.

Yuqori{0}}chastotali modulyatorni tengsiz manba bilan boshqaring va siz kuchaytirgichlarga zarar yetkazuvchi akslar, chastotaga bogʻliq javob toʻlqinlarini yaratadigan-toʻlqinlar va sizga kerak boʻlganda keskin pasayib ketadigan quvvatni yetkazib berish samaradorligini koʻrasiz.

Sayohat{0}}to'lqin dizaynlari elektrod uzunligi bo'ylab taqsimlangan empedansni taqdim etish orqali yordam beradi. Tugatish rezistorlari optik maydon bilan bog'lanmagan narsalarni o'zlashtiradi. Biroq, DC dan 100 gigagertsgacha bo'lgan haqiqiy 50Ō ga erishish uchun tijorat EM vositalarini chegaralariga olib keladigan simulyatsiya aniqligini talab qiladi.

Rezonans modulyatorlari past kirish kuchlanishlarini Vp ning toʻliq aylanishi uchun zarur boʻlgan kilovolt-oʻlchov maydonlariga aylantiradigan yuqori-Q tank sxemasini yaratish uchun ataylab notoʻgʻri - qarama-qarshi yondashuvni qoʻllaydi. Bir chastotada ajoyib ishlaydi. Keng polosali ilovalar uchun foydasiz.

 

Noto'g'ri drift muammosi hech kim muhokama qilishni xohlamaydi

Lityum niobat modulyatoriga doimiy kuchlanishni qo'llang va kuting. Ishlash nuqtasi aylanib yuradi.

Buning sababi, qurilma strukturasi sof qarshilikka ega emas - sizda bufer qatlamlari, titanium{1}}diffuziyalangan hududlar, qo'shilmagan substrat, ularning barchasi turli o'tkazuvchanlik va dielektrik doimiyliklarga ega. Zaryad soatlab kundan kunga qayta taqsimlanadi, qo'llaniladigan maydonni tekshiradi va uzatish funksiyasini o'zgartiradi.

To'g'ri modulyator dizaynlari ehtiyotkorlik bilan material tanlash va ishlab chiqarish jarayonini boshqarish orqali siljishni minimallashtiradi. Ammo "minimallashtirish" "yo'q qilish" degani emas. Har bir jiddiy o'rnatish optik chiqishni kuzatadigan va kerakli ish nuqtasini saqlab turish uchun kuchlanishni doimiy ravishda sozlaydigan bias kontrollerlarini o'z ichiga oladi.

Piroelektrik effekt yana bir bezovtalik qatlamini qo'shadi. Haroratning o'zgarishi kristall nuqtai nazaridan qo'llaniladigan kuchlanishga o'xshab ko'rinadigan spontan polarizatsiyani keltirib chiqaradi. Modulyatoringizni issiqlik manbai yaqiniga qo'ying va egilish nuqtasi atrofida raqs tushishini tomosha qiling.

 

Plazmonik modulyatorlar mavjud, ammo ekzotik bo'lib qoladi

Ohang jozibali ko'rinadi: yorug'lik va radio chastotasi maydonlarini sirt plazmoni rejimlari yordamida nano o'lchamdagi bo'shliqlar bilan cheklang, fotonik to'lqin o'tkazgichlar bilan mumkin bo'lmagan modulyatsiya samaradorligiga erishing.

Oxirgi natijalar elektrod uzunligi 20 mkm dan 0,1 V·sm dan past bo'lgan VpL mahsulotlarini ko'rsatadi. O'tkazish qobiliyati 100 gigagertsdan ancha oshadi, chunki hamma narsa shunchalik kichikki, tezlikni moslashtirish ahamiyatsiz bo'lib qoladi.

Qo'lga olish yo'qotishni o'z ichiga oladi. Plazmonik rejimlar energiyani metall isitishga tarqatadi. Har bir qurilmaga 10-15 dB kiritish yoʻqotishlari tizim darajasidagi quvvat byudjetlarini-qiyinlashtiradi. Va standart bir rejimli tolalardan yorug'likni nano o'lchovli plazmonik tirqishlarga ulash chip maydonini iste'mol qiladigan va o'z yo'qotishlarini qo'shadigan konusli tuzilmalarni talab qiladi.

Hajmi va tezligi yuqori samaradorlik bo'lgan ilovalar uchun plazmonika mantiqiy. Millionlab birliklarni jo'natadigan telekom qabul qiluvchilar uchun texnologiya akademik bo'lib qolmoqda.

 

Silikon fotonik raqobat qilishni xohlaydi

Silikondagi tashuvchi{0}}depletion modulatorlari CMOS mosligi va integratsiya zichligini taklif qiladi, litiy niobat mos kelmaydi. Modulyatoringizni drayver elektronikasi bilan bir xil gofretda quyish zavodlarida allaqachon ishlayotgan jarayonlardan foydalanib tayyorlang.

Ishlash sezilarli darajada yaxshilandi - 50 Gigagertsli tarmoqli kengligi odatiy, 85 Gbaud ishlashi namoyish etildi. Ammo asosiy mexanizm tashuvchining erkin singishi va plazma dispersiyasiga tayanadi, bu ikkala zaif effektlar ham uzoqroq oʻzaro taʼsir uzunligini talab qiladi yoki oqilona yoʻq boʻlib ketish nisbatlariga erishish uchun rezonans kuchaytirilishini talab qiladi.

Yupqa{0}}plyonka LNni kremniy fotonik sxemalariga ulashda gibrid yondashuvlar har ikki dunyoning afzalliklarini olishga harakat qiladi. Siz kremniyning integratsiya zichligi bilan litiy niobatning modulyatsiya samaradorligini olasiz. Ishlab chiqarishning murakkabligi mos ravishda oshadi.

 

Harorat sezgirligi vahshiylik bilan farq qiladi

Litiy niobat favqulodda indeks uchun 3,9×10⁻⁵/daraja atrofida kuchli termo-optik koeffitsientlarni - namoyish etadi. Ehtiyot bo'lmasangiz, 10 graduslik tebranish sizning interferometrni to'lqin uzunligining chorak uzunligiga o'zgartiradi.

Yarimo'tkazgich modulyatorlari shunga o'xshash muammolarga duch kelishadi, shuningdek, yutish qirralarini o'zgartiradigan tarmoqli oralig'i siljishi.

Standart yechim termoelektrik sovutgichlar yordamida atermik dizaynni (to‘lqin o‘tkazgich yo‘llarini harorat{0}}fazali siljishlarni bekor qilish uchun tartibga solish) yoki faol haroratni barqarorlashtirishni o‘z ichiga oladi. Ikkala yondashuv ham bepul - atermik dizayn chip maydonini iste'mol qilmaydi, TEC tizimlari quvvat sarflaydi va nosozlik rejimlarini qo'shadi.

Dalalarda{0}}o'rnatilgan tizimlar atrof-muhit haroratining o'zgarishini boshdan kechiradi, laboratoriya ko'rgazmalari buni e'tiborsiz qoldiradi. 25 darajada yaxshi ishlaydigan narsa -40 daraja yoki +85 darajada jiddiy muhandislik ishlarisiz yaroqsiz holga kelishi mumkin.

 

Qadoqlash xarajatlari ustunlik qiladi

Bu doimiy ravishda e'tibordan chetda qoladi.

Haqiqiy modulyator chipi hajmi bir necha dollarga tushishi mumkin. Ushbu chipni RF konnektorlari, tolali cho'chqalar, ob'ektiv monitoring fotodetektorlari, issiqlik boshqaruvi va germetik muhr bilan qadoqlash materiallar ro'yxatiga 500-2000 dollar qo'shadi.

Yuqori{0}}chastotali ishlash qadoqlashni qiyinlashtiradi, chunki har bir sim ulanishi induktivligi va ulagichning uzilishlari muhim. 40 Gigagertsli qurilmalar yer tekisligining uzluksizligiga diqqat bilan e'tibor berishni talab qiladi. 100 Gigagertsli qurilmalarda ishlov berish bosqichlarini qo'shadigan va rentabellikni kamaytiradigan -chip ulanishi yoki o'xshash usullarni talab qiladi.

Sanoat yigirma yil ichida bu borada yaxshilandi, ammo qadoqlash tijorat modulyatorlari qilgan ishiga qimmatga tushishining sababi bo'lib qolmoqda.

 

Haqiqatan ham hajmda etkazib berish nima

Barcha hayajonli tadqiqot natijalariga qaramay, katta hajmdagi telekom bozorida asosan besh yil oldin ta'sirchan va bugungi kunda oddiy bo'lib tuyulgan qurilmalardan foydalaniladi.

100G/400G kogerent uzatish uchun 20-40 GHz lityum niobat MZMlar ustunlik qiladi. Silikon fotonik modulatorlar ma'lumotlar markazining o'zaro ulanishlarida paydo bo'ladi, bu erda elektronika bilan integratsiya xom ashyodan ko'ra muhimroqdir. DFBs bilan integratsiyalangan InP{6}}asosidagi EAMlar xarajat va hajm unumdorlik xususiyatlaridan ustun turadigan qisqa muddatli ilovalarga xizmat qiladi.

Qon ketishi{0}}qirrasi 100+ gigagertsli namoyishlar laboratoriyalarda yoki kichik{2}}ixtisoslashtirilgan ilovalarda qoladi. Ishlab chiqarish rentabelligi, ishonchlilik malakasi va tannarxni pasaytirish uchun bir necha yillar kerak bo'ladi.

 

Ishonchlilik jozibali emas, lekin bu juda muhim

Telekom tashuvchilari 20 yillik foydalanish muddatini kutishadi. Bu tezlashtirilgan qarish orqali egilish barqarorligini ko'rsatishni, tolaning birikish yaxlitligini termal tsikldan omon qolishini isbotlashni va har bir germetik muhrni namlikning kirib kelishidan himoya qilishni anglatadi.

Lityum niobat qurilmalari dengiz osti kabellari va er usti magistral aloqalarida foydalanishni qo'llab-quvvatlaydigan o'n yillik ishonchlilik ma'lumotlariga ega. Yangi texnologiyalar yanada qattiqroq tekshiriladi, chunki nosozlik usullari hali to'liq tavsiflanmagan.

Takroriy muammolardan biri yuqori chastotali quvvat darajasida elektrod degradatsiyasini o'z ichiga oladi. Metall migratsiyasi, oksid hosil bo'lishi va termal aylanishdan mexanik kuchlanish asta-sekin kiritish yo'qotilishini va Vp siljishini oshiradi. Yuqori haroratlarda tezlashtirilgan sinovlar hayotning oxirini--o‘tkazishga harakat qiladi, ammo laboratoriya natijalari va dala tajribasi o‘rtasidagi bog‘liqlik nomukammalligicha qolmoqda.

 

Muhim bo'lgan raqamlar

Yuqori chastotali ilovalar uchun modulyatorni baholashda ushbu spetsifikatsiyalarga- e'tibor qaratish lozim:

3-dB elektro-optik tarmoqli kengligi - ba'zi ma'lumotlar jadvallari yashirincha kiradigan -6 dB nuqtasi emas. -6 dB da 40 gigagertsli spetsifikatsiya -3 dB da atigi 25 gigagertsli chastotani berishi mumkin.

Vp sizning ish chastotangizda, DC emas. Elektrodning yo'qolishi va tezlikning mos kelmasligi ko'p harakatlanuvchi to'lqin dizaynlarida Vp chastotasining oshishiga olib keladi-.

Qo'shishning yo'qolishi, shu jumladan tolali ulanish. Chip{1}}darajadagi raqamlar qadoqlangan qurilma raqamlariga qaraganda yaxshiroq ko‘rinadi, ba’zan esa sezilarli darajada.

Modulyatsiya ostida so'nish nisbati, statik emas. RF drayvidagi kamchiliklar va tarmoqli kengligi cheklovlari yuqori chastotalarda erishish mumkin bo'lgan kontrastni kamaytiradi.

Qaytish yo'qolishi yoki S11 empedans mos sifatini tavsiflash uchun. Yomon qaytarilish yo'qolishi sizning RF zanjirida muammolarni keltirib chiqaradigan aks ettirishni ko'rsatadi.

Hech kim sizga kerak bo'lgan hamma narsani aniq ish sharoitlarida o'lchaydi. Maʼlumotlar jadvallarini talqin qilish uchun qaysi raqamlar ilovangizga tarjima qilinishini va qaysilari eng yaxshi-siz hech qachon erisha olmaydigan holatlar stsenariylarini ifodalashini aniqlash tajribasini talab qiladi.

 

Haqiqatan ham muhim bo'lishi mumkin bo'lgan kelajakdagi yo'nalishlar

Yuqori integratsiya modulator texnologiyasini lazerlar, modulyatorlar, kuchaytirgichlar va multipleksorlarni bitta chiplarda birlashtirgan fotonik integral mikrosxemalar tomon surishni davom ettirmoqda. Bu tolali ulanish yo'qotishlarini kamaytiradi, diskret komponentlar yig'ilishini yo'q qiladi va diskret qurilmalar bilan imkonsiz bo'lgan funksionallikni ta'minlaydi.

Yuqori uzatish tezligiga o'tish - 100+ Kogerent uzatish uchun Gbaud - joriy tijorat mahsulotlari zo'rg'a erishadigan modulyator o'tkazish qobiliyatini talab qiladi. TFLN qurilmalari tarozilar muvaffaqiyatli ishlab chiqarilsa, ushbu ehtiyojni qondirish uchun joylashtirilgan ko'rinadi.

Fotonikalarni toʻgʻridan-toʻgʻri ASIC-ga oʻrnatuvchi ko-paketli optika boshqa integratsiya chegarasini ifodalaydi. Elektr interfeyslari juda qisqa bo'lib, joriy ulanadigan transmitterlarga qaraganda kamroq quvvat bilan yuqori tarmoqli kengligini ta'minlaydi.

Har qanday texnologiyaning g‘alaba qozonishi ishlab chiqarish tannarxi, ta’minot zanjiri etukligi va ekotizimni qo‘llab-quvvatlash - omillaridan ko‘ra, xom ashyo unumdorligiga bog‘liq bo‘lib, ular laboratoriya natijalari taklif qilganidan sekinroq harakat qiladi.

Kelgusi yil siz qo'llaydigan modulyator, konferentsiya hujjatlari va'da qilgan narsadan qat'i nazar, uch yil oldin yuborilgan narsaga juda o'xshash bo'lishi mumkin.