Optik Modülatörler Yüksek Frekans Sinyallerine Uygun

 

Hız eşleştirme kabusu

İşte ders kitaplarının gezici-dalga Mach-Zehnder modülatörlerini anlatırken gözden kaçırdığı şeyler.

Lityum niyobatın mikrodalga indeksi 4,2 civarında, optik indeks ise 2,2 civarında seyrediyor. Bu uyumsuzluk, RF sinyallerinin ve ışık dalgalarının elektrot yapınız boyunca son derece farklı hızlarda yayıldığı anlamına gelir. Düşük frekanslarda kimsenin umurunda değil - etkileşim uzunluğu, faz geçişini ihmal edilebilecek kadar kısadır. Gigahertz rejimine geçin ve aniden güzel tasarlanmış modülatörünüz, veri sayfası numaralarının fantezi gibi görünmesini sağlayan bant genişliği azalması sergiliyor.

Düzeltme, ayrıntılı elektrot mühendisliğini içerir. Tampon katmanlarını kalınlaştırır, boşlukları genişletir, kapasitif yükleme yapıları eklersiniz, temel olarak mikrodalgayı yavaşlatırken süreçteki modülasyon verimliliğinizi bozmayan her şeyi yaparsınız. İnce-film lityum niyobat, oyunu biraz - değiştirdi; ışığı mikron altı dalga kılavuzlarıyla sınırlandırarak, doğal olarak etkili optik endeksi azaltır ve geleneksel toplu cihazların gerektirdiği bükülmeler olmadan hız eşleşmesini erişim mesafesine getirir.

2019 yılında simüle edilen bant genişliğinin muhteşem göründüğü ve ölçülen yanıtın 25 GHz'in üzerinde olduğu 40 GHz modülatör tasarımında hata ayıklamak için üç ay harcadım. Suçlunun, hiç kimsenin düzgün bir şekilde modellemediği, yer düzlemindeki parazitik endüktans olduğu ortaya çıktı. Üç ay.

 

Lityum niyobat neden hala kazanıyor (çoğunlukla)

Onlarca yıllık yarı iletken fotonik gelişimine rağmen LiNbO₃, telekom ve RF fotonik bağlantılarındaki yüksek-performanslı modülatörler için varsayılan seçim olmaya devam ediyor. Sebepler gizemli değil: kabaca 31 pm/V r₃₃ katsayısı, 350 nm'den 5 μm'ye kadar optik şeffaflık ve tutarlı sonuçlar veren olgun üretim altyapısı.

Mikron altı LN katmanlarını silikon veya silikon nitrür alt tabakalara bağlayan ince-film devrimi -, - toplu cihazların kolayca elde edemeyeceği performansın kilidini açtı. Son gösteriler, voltaj-uzunluğu yaklaşık 2,2 V·cm olan ürünlerle 3-dB bant genişliğini 110 GHz'in üzerine çıkardı. Bunu, 5-6 V·cm gerektiren geleneksel titanyum difüzyonlu dalga kılavuzlarıyla karşılaştırdığınızda, 2018 yılı civarında neden herkesin aniden TFLN ile ilgilenmeye başladığını anlayacaksınız.

Ancak malzemenin, satıcıların pazarlama literatüründe vurgulamadığı sorunları var.

 

Fotokırılma hasarı gerçek ve can sıkıcıdır

 

Z-kesmeye karşı X-kesme: ebedi ödünleşim

Kristal yönelimi, modülatörünüzün cıvıldayıp ses çıkarmayacağını belirler.

Z-kesim cihazları, elektrotları doğrudan dalga kılavuzunun üstüne ve altına konumlandırarak optik modla elektrik alanı örtüşmesini en üst düzeye çıkarır. Daha düşük Vπ elde edersiniz, bu da tam modülasyon derinliği için daha az RF sürücü gücüne ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. Yakalama, iki interferometre kolu - arasındaki asimetrik faz modülasyonunu içerir; yoğunluğu aşağı ittiğinizde, aynı anda sinyalinize istenmeyen frekans kaymaları uygularsınız.

X-kesim konfigürasyonları, elektrotları simetrik bir itme-çekme düzeninde dalga kılavuzunun yanına yerleştirir. Her iki kol da eşit ve zıt faz kaymaları yaşar. Sıfır cıvıltı. Temiz genlik modülasyonu. Ancak alan örtüşmesi zarar görüyor, Vπ'yi daha yükseğe çıkarıyor ve daha güçlü RF amplifikatörleri talep ediyor.

NRZ'yi 10 Gb/s hızında çalıştıran dijital iletişimler için chirp aslında yardımcı olabilir -, belirli fiber uzunlukları üzerindeki renk dağılımını kısmen telafi edebilir. Doğrusallığın önemli olduğu analog RF fotonik bağlantıları için X-kesim zorunlu hale gelir.

 

Elektroabsorbsiyon işleri farklı şekilde yapar

Yarı iletken-tabanlı EAM'ler, kırılma indisi değişikliklerinden ziyade bant-kenar soğurma kaymalarından yararlanır. Bir kuantum kuyusu yapısına ters eğilim uygulayın ve kuantum-sınırlı Stark etkisi - eksiton dalga fonksiyonları yoluyla absorpsiyon kenarı kırmızıya kayar, bağlanma enerjileri azalır ve daha önce iletilen fotonlar artık emilir.

Bu yaklaşımın güzelliği: -volt altı sürücü gereksinimleri ve III-V lazer entegrasyonuyla içsel uyumluluk. DFB lazerinizi ve modülatörünüzü aynı InP çipi üzerinde üreterek fiber bağlantı kayıplarını ve hizalama sorunlarını ortadan kaldırabilirsiniz.

Çirkinlik: Karşılaştırıldığında LiNbO₃'nun geniş bant gibi görünmesini sağlayan dalga boyu hassasiyeti. Lazeriniz birkaç nanometre bile sürüklenirse EAM sönme oranları çöker. Sıcaklık kontrolü-pazarlık edilemez hale gelir.

Ayrıca soğurma doğal olarak fotoakım üretir. Yüksek optik güçlerde bu akım, kuantum kuyuları boyunca elektrik alanı dağılımını değiştirerek, modülasyon verimliliğinin, bağlantı tasarımını karmaşıklaştıracak şekilde güce-bağlı hale gelmesine neden olur.

 

Bant genişliğini gerçekte sınırlayan şey nedir?

İnsanlar birkaç farklı bant genişliği sınırlamasını birleştiriyor ve bu durum kafa karışıklığı yaratıyor.

Elektriksel bant genişliği, bağlantı kapasitansı ve elektrot direncinden kaynaklanan RC zaman sabitlerine ve ayrıca hız uyumsuzluğu ve mikrodalga kaybı gibi ilerleyen{0}}dalga etkilerine bağlıdır. Bu faktörler genellikle iyi tasarlanmış cihazlarda- hakimdir.

Optik bant genişliği -, modülasyon verimliliğinin kabaca sabit kaldığı dalga boyu aralığı anlamına gelir -, malzeme dağılımına ve dalga kılavuzu tasarımına bağlıdır. Lityum niyobat cihazları için bu genellikle çok büyüktür ve yüzlerce nanometreyi kapsar. Şanslıysanız EAM'ler için 20-30 nm olabilir.

Pockels etkisi için içsel maddi tepki süresi femtosaniye rejiminde yer alır. Hiç kimse bu sınırı görecek kadar hızlı bir modülatör üretmedi. Franz-Keldysh etkisi de benzer şekilde hızlı tepki veriyor. Satıcılar "1 ps tepki süresi"nden söz ettiğinde temel fizikten değil, RC-sınırlı elektrik anahtarlamasından bahsediyorlar.

 

 

Empedans uyumu düşündüğünüzden daha önemli

Standart RF sistemleri her yerde 50Ω olduğunu varsayar. Optik modülatörler sıklıkla frekansa göre değişen reaktif yükler sunarlar - kristal, mevcut elektrot direncine paralel olarak kayıplı bir kapasitör gibi davranır.

Eşsiz bir kaynağa sahip bir yüksek-frekans modülatörünü çalıştırdığınızda amplifikatörlere zarar veren yansımaları, frekansa-bağlı yanıt dalgalanmaları oluşturan duran dalgaları ve tam olarak en çok ihtiyaç duyduğunuz anda düşen güç dağıtım verimliliğini göreceksiniz.

Yürüyen-dalga tasarımları, elektrot uzunluğu boyunca dağıtılmış empedans sunarak yardımcı olur. Sonlandırma dirençleri optik alana bağlanmayan şeyleri emer. Ancak DC'den 100 GHz'e kadar gerçek 50Ω eşleşmesinin elde edilmesi, ticari EM araçlarının sınırlarını zorlayan simülasyon doğruluğu gerektirir.

Rezonans modülatörleri, düşük giriş voltajlarını tam Vπ salınımı için gereken kilovolt-ölçekli alanlara dönüştüren yüksek-Q tank devresi oluşturmak için kasıtlı olarak - uyumsuzluk yaklaşımını benimser. Tek frekansta harika çalışıyor. Geniş bant uygulamaları için işe yaramaz.

 

Kimsenin tartışmak istemediği önyargı kayması sorunu

Bir lityum niyobat modülatörüne DC voltajı uygulayın ve bekleyin. Çalışma noktası geziniyor.

Bunun nedeni, cihaz yapısının tamamen dirençli olmaması - tampon katmanlarınız, titanyum-yayılmış bölgeleriniz, katkısız alt tabakanız ve bunların tümü farklı iletkenliklere ve dielektrik sabitlerine sahip olmasıdır. Şarj, uygulanan alanı tarayarak ve aktarım işlevini değiştirerek saatler ve günlere göre yeniden dağıtılır.

Uygun modülatör tasarımları, dikkatli malzeme seçimi ve üretim süreci kontrolü yoluyla sapmayı en aza indirir. Ancak "en aza indirgemek", "ortadan kaldırmak" anlamına gelmez. Her ciddi kurulumda, optik çıkışı izleyen ve istenilen çalışma noktasını korumak için voltajı sürekli olarak ayarlayan öngerilim kontrolörleri bulunur.

Piroelektrik etki başka bir rahatsızlık katmanı ekler. Sıcaklık değişiklikleri, kristalin bakış açısından tam olarak uygulanan voltaja benzeyen kendiliğinden polarizasyon üretir. Modülatörünüzü bir ısı kaynağının yakınına koyun ve önyargı noktasının etrafta dans etmesini izleyin.

 

Plazmonik modülatörler mevcut ancak egzotik kalıyor

Perde ilgi çekici görünüyor: yüzey plazmon modlarını kullanarak hem ışık hem de RF alanlarını nano ölçekli boşluklarla sınırlandırarak fotonik dalga kılavuzlarıyla imkansız olan modülasyon verimliliğine ulaşıyorsunuz.

Son sonuçlar, elektrot uzunluklarının 20 μm'nin altında olduğu VπL ürünlerinin 0,1 V·cm'nin altında olduğunu göstermektedir. Bant genişliği 100 GHz'in çok ötesine ulaşıyor çünkü her şey o kadar küçük ki hız eşleşmesi önemsiz hale geliyor.

Yakalama kaybı içerir. Plazmonik modlar enerjiyi metal ısıtmaya dağıtır. Cihaz başına 10-15 dB'lik ekleme kayıpları, sistem-düzeyinde güç bütçelerini zorlaştırır. Ve standart tek modlu fiberlerden gelen ışığı nano ölçekli plazmonik yuvalara bağlamak, çip alanını tüketen ve kendi kayıplarını ekleyen konik yapılar gerektirir.

Boyut ve hızın verimlilikten üstün olduğu niş uygulamalar için plazmonik mantıklıdır. Milyonlarca birim gönderen telekom alıcı-vericileri için teknoloji akademik olmaya devam ediyor.

 

Silikon fotoniği rekabet etmek istiyor

Silikondaki taşıyıcı-tüketme modülatörleri, lityum niyobatın eşleşemeyeceği CMOS uyumluluğu ve entegrasyon yoğunluğu sunar. Dökümhanelerin halihazırda uygun ölçekte çalıştırdığı süreçleri kullanarak modülatörünüzü sürücü elektronikleriyle birlikte aynı plaka üzerinde üretin.

Performans önemli ölçüde arttı - 50 GHz bant genişlikleri rutindir, 85 Gbaud işlemi kanıtlanmıştır. Ancak altta yatan mekanizma, serbest-taşıyıcı absorpsiyonu ve plazma dispersiyonuna dayanır; her ikisi de daha uzun etkileşim uzunlukları gerektiren zayıf etkiler veya makul yok olma oranlarına ulaşmak için rezonans geliştirmeyi gerektirir.

İnce-film LN'yi silikon fotonik devrelere bağlayan hibrit yaklaşımlar, her iki dünyanın da faydalarını yakalamaya çalışır. Lityum niyobatın modülasyon verimliliğini silikonun entegrasyon yoğunluğuyla elde edersiniz. Üretim karmaşıklığı da buna bağlı olarak artar.

 

Sıcaklık hassasiyeti çılgınca değişir

Lityum niyobat, olağanüstü indeks için 3,9×10⁻⁵ / derece civarında güçlü termo-optik katsayılar - sergiler. 10 derecelik bir salınım, eğer dikkatli olmazsanız, interferometre önyargınızı kabaca dalga boyunun dörtte biri kadar değiştirir.

Yarı iletken modülatörler benzer sorunlarla ve emilim kenarlarını değiştiren bant aralığı kaymalarıyla karşı karşıyadır.

Standart çözüm, atermal tasarımı (dalga kılavuzu yollarını sıcaklığın-kaynaklandığı faz kaymalarını iptal edecek şekilde düzenlemek) veya termoelektrik soğutucular kullanarak aktif sıcaklık stabilizasyonunu içerir. Her iki yaklaşım da ücretsiz - atermal tasarımlar çip alanını tüketirken, TEC sistemleri güç çeker ve arıza modları ekler.

Sahada konuşlandırılan{0}}sistemler, laboratuvar gösterimlerinin kolaylıkla göz ardı ettiği ortam sıcaklığı dalgalanmalarına maruz kalır. 25 derecede güzel çalışan bir şey, ciddi bir mühendislik çalışması gerektirmeden -40 derecede veya +85 derecede kullanılamaz hale gelebilir.

 

Ambalaj maliyetleri hakimdir

Bu sürekli gözden kaçırılıyor.

Gerçek modülatör çipinin hacmi birkaç dolara mal olabilir. Bu çipin RF konektörleri, fiber örgüler, önyargı izleme fotodetektörleri, termal yönetim ve hermetik sızdırmazlık ile paketlenmesi, malzeme listesine kolayca 500-2000 $ ekler.

Yüksek-frekanslı işlem, paketlemeyi zorlaştırır çünkü her kablo bağı endüktansı ve konektör süreksizliği önemlidir. 40 GHz cihazlar, yer düzlemi sürekliliğine dikkatli dikkat gerektirir. 100 GHz cihazlar, işlem adımları ekleyen ve verimi azaltan çevirmeli-yonga bağlama veya benzer teknikler gerektirir.

Sektör yirmi yılda bu konuda daha iyi bir noktaya geldi, ancak ticari modülatörlerin yaptıklarının maliyetinin nedeni ambalaj olmaya devam ediyor.

 

Aslında hacim olarak nakliye nedir?

Tüm heyecan verici araştırma sonuçlarına rağmen, yüksek-hacimli telekomünikasyon pazarı çoğunlukla beş yıl önce etkileyici görünen ve bugün sıradan görünen cihazları kullanıyor.

20-40 GHz lityum niyobat MZM'ler, 100G/400G tutarlı iletim için baskındır. Silikon fotonik modülatörler, elektronikle entegrasyonun ham performanstan daha önemli olduğu veri merkezi ara bağlantılarında görünür. DFB'lerle entegre edilmiş InP-tabanlı EAM'ler, maliyet ve boyutun performans spesifikasyonlarına üstün geldiği kısa erişimli uygulamalara hizmet eder.

Son teknoloji 100+ GHz gösterileri laboratuvarlarda veya küçük-hacimli özel uygulamalarda kalır. Üretim verimi, güvenilirlik yeterliliği ve maliyet azaltmanın olgunlaşması yıllar alır.

 

Güvenilirlik göz kamaştırıcı değil ama esastır

Telekom operatörleri 20 yıllık saha ömrü beklemektedir. Bu, hızlandırılmış yaşlanma yoluyla önyargı kayması stabilitesinin gösterilmesi, fiber bağlantı bütünlüğünün termal döngüden sağ çıktığını kanıtlamak ve hermetik contayı nem girişine karşı nitelendirmek anlamına gelir.

Lityum niyobat cihazları, deniz altı kablolarında ve karasal omurga bağlantılarında kullanımlarını destekleyen onlarca yıllık güvenilirlik verilerine sahiptir. Daha yeni teknolojiler daha sıkı bir incelemeyle karşı karşıyadır çünkü arıza modları henüz tam olarak karakterize edilmemiştir.

Tekrarlanan sorunlardan biri, yüksek RF güç seviyelerinde elektrot bozulmasıdır. Metal migrasyonu, oksit oluşumu ve termal döngüden kaynaklanan mekanik stres, ekleme kaybını kademeli olarak artırır ve Vπ'yi değiştirir. Yüksek sıcaklıklarda yapılan hızlandırılmış testler, yaşam-sonu-davranışını tahmin etmeye çalışır, ancak laboratuvar sonuçları ile saha deneyimi arasındaki korelasyon kusurlu kalır.

 

Önemli olan sayılar

Yüksek frekanslı uygulamalara yönelik bir modülatörü değerlendirirken- şu spesifikasyonlara dikkat edilmelidir:

3-dB elektro-optik bant genişliği - bazı veri sayfalarının gizlice girdiği -6 dB noktası değil. -6 dB'de 40 GHz spesifikasyonu -3 dB'de yalnızca 25 GHz sağlayabilir.

DC'de değil, çalışma frekansınızda Vπ. Elektrot kaybı ve hız uyumsuzluğu, çoğu yürüyen-dalga tasarımında Vπ'nin frekansla birlikte artmasına neden olur.

Fiber bağlantısı dahil ekleme kaybı. Çip-seviyesi numaraları, paketlenmiş cihaz numaralarından daha iyi görünür, hatta bazen çok daha iyi görünür.

Modülasyon altında sönme oranı statik değil. RF sürücü kusurları ve bant genişliği sınırlamaları, yüksek frekanslarda elde edilebilir kontrastı azaltır.

Empedans uyum kalitesini karakterize etmek için dönüş kaybı veya S11. Zayıf geri dönüş kaybı, RF zincirinizde sorunlara neden olacak yansımaları gösterir.

Hiç kimse tam olarak çalışma koşullarınız altında ihtiyacınız olan her şeyi ölçemez. Veri sayfalarını yorumlamak, hangi sayıların uygulamanıza çevrildiğini ve hangilerinin hiçbir zaman başaramayacağınız en iyi- durum senaryolarını temsil ettiğini anlama konusunda deneyim gerektirir.

 

Gerçekten önemli olabilecek gelecekteki yönler

Daha yüksek entegrasyon, modülatör teknolojisini, lazerleri, modülatörleri, amplifikatörleri ve çoklayıcıları tek çip üzerinde birleştiren fotonik entegre devrelere doğru itmeye devam ediyor. Bu, fiber bağlantı kayıplarını azaltır, ayrık bileşen montajını ortadan kaldırır ve ayrık cihazlarla imkansız olan işlevselliğe olanak tanır.

Daha yüksek baud hızlarına doğru hareket - 100+ Tutarlı iletim için Gbaud -, mevcut ticari ürünlerin zar zor elde ettiği modülatör bant genişliklerini gerektirir. TFLN cihazları, üretimin başarılı bir şekilde ölçeklendirilmesi durumunda bu ihtiyacı karşılayacak şekilde konumlandırılmış görünmektedir.

Fotoniği doğrudan anahtar ASIC'lerine yerleştiren ortak paketli optikler- başka bir entegrasyon sınırını temsil ediyor. Elektriksel arayüzler aşırı derecede kısalmakta ve potansiyel olarak mevcut takılabilir alıcı-vericilerden daha düşük güçle daha yüksek bant genişliğine olanak sağlamaktadır.

Belirli bir teknolojinin kazanıp kazanmayacağı ham performanstan çok üretim maliyetine, tedarik zinciri olgunluğuna ve laboratuvar sonuçlarının önerebileceğinden daha yavaş hareket eden ekosistem desteği - faktörlerine bağlıdır.

Gelecek yıl konuşlandıracağınız modülatör, konferans bildirilerinin vaat ettiği şey ne olursa olsun, muhtemelen üç yıl önce gönderilen modülatöre oldukça benzeyecektir.