Optički modulatori odgovaraju visokofrekventnim signalima

 

Noćna mora koja odgovara brzini

Evo šta udžbenici prekrivaju kada opisuju putujuće-talasne Mach-Zehnder modulatore.

Kod litijum niobata, mikrotalasni indeks je oko 4,2 dok optički indeks lebdi blizu 2,2. Ta neusklađenost znači da se RF signali i svjetlosni valovi šire različitim brzinama kroz strukturu vaše elektrode. Na niskim frekvencijama, nikoga nije briga - dužina interakcije je dovoljno kratka da odlazak faze ostaje zanemarljiv. Gurnite u gigahercni režim i odjednom vaš lijepo dizajnirani modulator pokazuje smanjenje propusnog opsega zbog čega brojevi iz tablice podataka izgledaju kao fantazija.

Popravak uključuje razrađen inženjering elektroda. Podebljavate slojeve bafera, širite praznine, dodajete kapacitivne strukture punjenja, u osnovi bilo šta da usporite mikrovalnu pećnicu, a da pritom ne uništite vašu efikasnost modulacije u procesu. Tanki-film litijum niobata donekle je promijenio igru ​​- ograničavanje svjetlosti na sub-mikronske talasovode, prirodno smanjuje efektivni optički indeks i omogućava usklađivanje brzine na dohvat ruke bez izobličenja potrebnih tradicionalnim rasutim uređajima.

Proveo sam tri mjeseca 2019. godine na otklanjanju grešaka u dizajnu modulatora od 40 GHz gdje je simulirani propusni opseg izgledao prekrasno, a izmjereni odziv kraterirao iznad 25 GHz. Ispostavilo se da je krivac parazitska induktivnost u zemljinoj ravni koju niko nije pravilno modelirao. Tri mjeseca.

 

Zašto litijum niobat i dalje pobjeđuje (uglavnom)

Uprkos decenijama razvoja poluprovodničke fotonike, LiNbO₃ ostaje podrazumevani izbor za modulatore visokih-performansi u telekomunikacionim i RF fotoničkim vezama. Razlozi nisu misteriozni: koeficijent r₃₃ od otprilike 31 pm/V, optička transparentnost od 350 nm do 5 μm i zrela infrastruktura proizvodnje koja daje konzistentne rezultate.

Revolucija tankog filma - vezivanje sub-mikronskih LN slojeva na silicijum ili podloge od silicijum nitrida - je otključala performanse koje uređaji u velikom broju jednostavno nisu mogli postići. Nedavne demonstracije su pomaknule propusni opseg od 3-dB preko 110 GHz sa proizvodima naponske{10}}dužine oko 2,2 V·cm. Uporedite to sa konvencionalnim talasovodima indifuznim titanijumom koji zahtevaju 5-6 V·cm i shvatićete zašto su se svi odjednom zainteresovali za TFLN oko 2018.

Ali materijal ima probleme koje dobavljači ne ističu u marketinškoj literaturi.

 

Fotorefrakcijsko oštećenje je stvarno i dosadno

 

Z-rez nasuprot X-rez: vječni kompromis

Orijentacija kristala određuje da li vaš modulator cvrkuće.

Z-uređaji za rezanje postavljaju elektrode direktno iznad i ispod talasovoda, maksimizirajući preklapanje električnog polja sa optičkim modom. Dobijate niži Vπ, što znači manje snage RF pogona potrebne za punu dubinu modulacije. Kvaka uključuje asimetričnu faznu modulaciju između dva kraka interferometra - kada smanjite intenzitet, istovremeno namećete neželjene pomake frekvencije vašem signalu.

Konfiguracije X-reza postavljaju elektrode pored talasovoda u simetričnom push{1}}povlačenom rasporedu. Obje ruke doživljavaju jednake i suprotne fazne pomake. Zero chirp. Čista amplitudna modulacija. Ali preklapanje polja pati, podižući Vπ više i zahtijevajući bolja RF pojačala.

Za digitalne komunikacije koje pokreću NRZ pri 10 Gb/s, chirp bi zapravo mogao pomoći - jer može djelomično kompenzirati hromatsku disperziju na određenim dužinama vlakana. Za analogne RF fotonske veze gdje je linearnost bitna, X-rez postaje obavezan.

 

Elektroapsorpcija čini stvari drugačije

Poluprovodnički-EAM-ovi iskorištavaju pomake apsorpcije u opsegu{1}} radije nego promjene indeksa prelamanja. Primijenite obrnutu pristranost na strukturu kvantnog bunara i crveni pomaci ruba apsorpcije preko kvantnog-ograničenog Starkovog efekta - ekscitonskih valnih funkcija se izobličuju, energije vezivanja se smanjuju, a fotoni koji su se ranije prenosili sada se apsorbiraju.

Ljepota ovog pristupa: zahtjevi za pod-naponskim pogonom i intrinzična kompatibilnost sa III-V laserskom integracijom. Možete proizvesti svoj DFB laser i modulator na istom InP čipu, eliminišući gubitke pri spajanju vlakana i glavobolje pri poravnanju.

Ružnoća: osjetljivost na talasnu dužinu zbog koje LiNbO₃ izgleda širokopojasno u poređenju. EAM omjeri izumiranja se smanjuju ako se vaš laser pomakne čak i za nekoliko nanometara. O kontroli temperature se ne može pregovarati-.

Takođe, apsorpcija inherentno generiše fotostruju. Pri velikim optičkim snagama ova struja modificira distribuciju električnog polja kroz kvantne jame, uzrokujući da efikasnost modulacije postane -zavisna od energije na načine koji komplikuju dizajn veze.

 

Šta zapravo ograničava propusni opseg

Ljudi spajaju nekoliko različitih ograničenja propusnosti i to stvara zabunu.

Električni propusni opseg zavisi od vremenskih konstanti RC-a od kapaciteta spoja i otpora elektrode, plus efekti putujućih{0}}tala kao što su neusklađenost brzine i gubitak mikrovalova. Ovi faktori obično dominiraju u dobro{2}}dizajniranim uređajima.

Optički opseg - što znači opseg talasnih dužina u kojem efikasnost modulacije ostaje otprilike konstantna - zavisi od disperzije materijala i dizajna talasovoda. Za uređaje s litijum niobatom to je obično ogromno, prostire se na stotine nanometara. Za EAM-ove može biti 20-30 nm ako budete imali sreće.

Intrinzično vrijeme odziva materijala za Pokelsov efekat je u femtosekundnom režimu. Niko nikada nije napravio modulator dovoljno brz da vidi ovu granicu. Franz-Keldysh efekat reaguje slično brzo. Kada dobavljači navode "vrijeme odziva od 1 ps", oni govore o RC-ograničenom električnom preklapanju, a ne o osnovnoj fizici.

 

 

Usklađivanje impedanse je važnije nego što mislite

Standardni RF sistemi pretpostavljaju 50Ω svuda. Optički modulatori često predstavljaju reaktivna opterećenja koja variraju sa frekvencijom - kristal se ponaša kao kondenzator sa gubicima paralelno sa bilo kojim otporom elektrode.

Upravljajte visoko-modulatorom visoke frekvencije sa izvorom bez premca i vidjet ćete refleksije koje oštećuju pojačala, stojne talase koji stvaraju frekvencijsko{1}}zavisne talase odziva i efikasnost isporuke energije koja opada tačno kada vam je najpotrebnija.

Dizajn putujućih{0}}talasa pomaže predstavljanjem distribuirane impedanse duž dužine elektrode. Završni otpornici apsorbuju ono što se ne spaja sa optičkim poljem. Ali postizanje istinskog podudaranja od 50Ω od DC do 100 GHz zahtijeva tačnost simulacije koja gura komercijalne EM alate do njihovih granica.

Rezonantni modulatori koriste suprotan pristup - namjerno neusklađujući se kako bi stvorili visoko-Q kolo spremnika koji transformira niske ulazne napone u kilovoltna-polja potrebna za puni Vπ zamah. Odlično radi na jednoj frekvenciji. Beskorisno za širokopojasne aplikacije.

 

Problem odstupanja pristrasnosti niko ne želi da raspravlja

Primijenite jednosmjerni napon na modulator litijum niobata i pričekajte. Operativna tačka luta.

Ovo se dešava zato što struktura uređaja nije isključivo otporna - imate slojeve bafera, titanijum-difuzne regije, nedopiranu podlogu, sve sa različitim provodljivostima i dielektričnim konstantama. Punjenje se preraspoređuje kroz sate u dane, skrinirajući primijenjeno polje i mijenjajući funkciju prijenosa.

Odgovarajući dizajn modulatora minimizira drift kroz pažljiv odabir materijala i kontrolu procesa proizvodnje. Ali "minimizirati" ne znači "eliminisati". Svaka ozbiljna instalacija uključuje bias kontrolere koji nadgledaju optički izlaz i kontinuirano prilagođavaju napon kako bi održali željenu radnu tačku.

Piroelektrični efekat dodaje još jedan sloj neugodnosti. Promene temperature stvaraju spontanu polarizaciju koja izgleda tačno kao primenjeni napon iz perspektive kristala. Stavite svoj modulator blizu izvora toplote i gledajte kako tačka pristranosti pleše okolo.

 

Plazmonski modulatori postoje, ali ostaju egzotični

Visina tona zvuči uvjerljivo: ograničite i svjetlosna i RF polja na nanosmjerne praznine koristeći površinske plazmon modove, postižući efikasnost modulacije nemoguću s fotonskim talasovodima.

Nedavni rezultati pokazuju VπL proizvode ispod 0,1 V·cm sa dužinama elektroda ispod 20 μm. Propusni opseg doseže daleko iznad 100 GHz jer je sve tako malo da usklađivanje brzine postaje trivijalno.

Ulov uključuje gubitak. Plazmonski modovi rasipaju energiju u zagrijavanje metala. Gubici pri ubacivanju od 10-15 dB po uređaju otežavaju budžete snage sistema-na nivou. A spajanje svjetlosti iz standardnih jednomodnih vlakana u plazmonske proreze na nanorazmjeri zahtijeva konusne strukture koje troše površinu čipa i dodaju svoje gubitke.

Za nišne aplikacije u kojima veličina i brzina nadmašuju efikasnost, plazmonika ima smisla. Za telekomunikacione primopredajnike koji isporučuju milione jedinica, tehnologija ostaje akademska.

 

Silicijum fotonika želi da se takmiči

Modulatori{0}}oštećenja nosioca u silicijumu nude CMOS kompatibilnost i gustinu integracije kojoj se litijum niobat ne može mjeriti. Izradite svoj modulator zajedno sa drajverom na istoj pločici koristeći procese koje livnice već rade u velikom obimu.

Performanse su se drastično poboljšale - 50 GHz propusni opseg je rutinski, demonstriran rad od 85 Gbaud. Ali osnovni mehanizam se oslanja na apsorpciju slobodnog-nosača i disperziju plazme, oba slaba efekta koji zahtijevaju duže interakcije ili rezonantno poboljšanje kako bi se postigli razumni omjeri izumiranja.

Hibridni pristupi vezivanju tankog{0}}slojnog LN-a na silikonska fotonska kola pokušavaju iskoristiti prednosti oba svijeta. Dobijate efikasnost modulacije litijum niobata sa gustinom integracije silicijuma. Složenost proizvodnje se shodno tome povećava.

 

Osetljivost na temperaturu veoma varira

Litijum niobat pokazuje jake termo-optičke koeficijente - oko 3,9×10⁻⁵ / stepen za izvanredni indeks. Zamah od 10 stepeni pomera vaš interferometarski pristrasnost za otprilike četvrtinu talasne dužine ako niste pažljivi.

Poluvodički modulatori se suočavaju sa sličnim problemima plus pomaci pojasnog razmaka koji mijenjaju rubove apsorpcije.

Standardno rješenje uključuje atermalni dizajn (uređenje puteva valovoda tako da se ponište pomaci faze{0}}inducirani temperaturom) ili aktivna stabilizacija temperature pomoću termoelektričnih hladnjaka. Niti jedan pristup nije besplatan - atermalni dizajn koji troši površinu čipa, dok TEC sistemi crpe energiju i dodaju načine kvara.

Sistemi{0}}primijenjeni na terenu doživljavaju promjene temperature okoline koje laboratorijske demonstracije jednostavno ignoriraju. Ono što lijepo radi na 25 stepeni može postati neupotrebljivo na -40 stepeni ili +85 stepeni bez ozbiljnih inženjerskih napora.

 

Dominiraju troškovi pakovanja

Ovo se stalno zanemaruje.

Stvarni modulator čip bi mogao koštati nekoliko dolara po zapremini. Pakovanje tog čipa sa RF konektorima, fiber pigtailima, fotodetektorima za praćenje pristranosti, upravljanjem toplotom i hermetičkim zaptivanje lako dodaje 500-2000 dolara na račun materijala.

Visoko-frekventni rad otežava pakovanje jer je svaka induktivnost žičane veze i prekid konektora bitni. 40 GHz uređaji zahtijevaju pažljivu pažnju na kontinuitet uzemljenja. 100 GHz uređaji zahtijevaju flip-vezivanje čipa ili uporedive tehnike koje dodaju korake procesa i smanjuju prinos.

Industrija je u tome postala bolja tokom dvije decenije, ali ambalaža ostaje razlog zašto komercijalni modulatori koštaju ono što rade.

 

Šta je zapravo isporuka u količini

Uprkos svim uzbudljivim rezultatima istraživanja,-telekom tržište velikog obima uglavnom koristi uređaje koji bi prije pet godina izgledali impresivno, a danas uobičajeni.

20-40 GHz litijum niobatni MZM-ovi dominiraju za 100G/400G koherentni prenos. Silicijumski fotonski modulatori se pojavljuju u interkonekcijama centara podataka gde je integracija sa elektronikom važnija od sirovih performansi. InP-bazirani EAM-ovi integrirani sa DFB-ovima služe aplikacijama kratkog dometa gdje cijena i veličina nadmašuju specifikacije performansi.

Demonstracije-ivice 100+ GHz ostaju u laboratorijama ili malim{2}}specijalnim aplikacijama. Proizvodni prinos, kvalifikacija pouzdanosti i smanjenje troškova trebaju godine da sazriju.

 

Pouzdanost nije glamurozna, ali je neophodna

Telekom operateri očekuju 20-godišnji životni vijek na terenu. To znači demonstriranje stabilnosti pri pomeranju kroz ubrzano starenje, dokazivanje da integritet vezivanja vlakana preživljava termičke cikluse i kvalifikovanje svakog hermetičkog zaptivanja protiv prodiranja vlage.

Uređaji sa litijum niobatom imaju decenije pouzdane podatke koji podržavaju njihovu upotrebu u podmorskim kablovima i zemaljskim okosnim vezama. Novije tehnologije se suočavaju sa strožim ispitivanjem jer načini kvara još nisu u potpunosti okarakterisani.

Jedan problem koji se ponavlja uključuje degradaciju elektrode pri visokim nivoima RF snage. Migracija metala, formiranje oksida i mehaničko naprezanje zbog termičkog ciklusa postepeno povećavaju gubitak umetanja i pomak Vπ. Ubrzano testiranje na povišenim temperaturama pokušava predvidjeti ponašanje na kraju-životnog-života, ali korelacija između laboratorijskih rezultata i terenskog iskustva ostaje nesavršena.

 

Brojke koje su bitne

Prilikom procjene modulatora za visoko{0}}aplikacije, ove specifikacije zaslužuju pažnju:

3-dB elektro-optički opseg – ne tačka od -6 dB u koju se ušunjaju neki listovi sa podacima. Specifikacija od 40 GHz na -6 dB može isporučiti samo 25 GHz pri -3 dB.

Vπ na vašoj radnoj frekvenciji, a ne DC. Gubitak elektroda i neusklađenost brzine uzrokuju povećanje Vπ sa frekvencijom u većini dizajna putujućih{1}}talasa.

Gubitak umetanja uključujući spajanje vlakana. Brojevi{1}}nivoa čipa izgledaju bolje od brojeva upakovanih uređaja, ponekad dramatično.

Omjer ekstinkcije pod modulacijom, a ne statički. Nesavršenosti RF drajva i ograničenja propusnog opsega smanjuju dostižni kontrast na visokim frekvencijama.

Povratni gubitak ili S11 za karakterizaciju kvaliteta podudaranja impedancije. Slab povratni gubitak ukazuje na refleksije koje će uzrokovati probleme u vašem RF lancu.

Niko ne meri sve što vam je potrebno pod tačno vašim uslovima rada. Tumačenje tablica sa podacima zahtijeva iskustvo u prepoznavanju koji se brojevi prevode u vašu aplikaciju i koji predstavljaju najbolje-scenarije koje nikada nećete postići.

 

Budući pravci koji bi mogli biti važni

Veća integracija nastavlja gurati tehnologiju modulatora prema fotonskim integriranim krugovima koji kombiniraju lasere, modulatore, pojačala i multipleksere na pojedinačnim čipovima. Ovo smanjuje gubitke spajanja vlakana, eliminiše montažu diskretnih komponenti i omogućava funkcionalnost nemoguću sa diskretnim uređajima.

Prelazak prema višim brzinama prijenosa - 100+ Gbaud za koherentan prijenos - zahtijeva propusnost modulatora koju trenutni komercijalni proizvodi jedva postižu. Čini se da su TFLN uređaji pozicionirani da zadovolje ovu potrebu ako se proizvodnja uspješno poveća.

Ko{0}}upakovana optika koja postavlja fotoniku direktno na prekidače ASIC-a predstavlja još jednu granicu integracije. Električni interfejsi postaju izuzetno kratki, potencijalno omogućavajući veći propusni opseg sa manjom snagom od trenutnih primopredajnika koji se mogu priključiti.

Hoće li neka određena tehnologija pobijediti ovisi manje o sirovim performansama nego o proizvodnim troškovima, zrelosti lanca snabdijevanja i faktorima podrške ekosistemu - koji se kreću sporije nego što laboratorijski rezultati mogu sugerirati.

Modulator koji ćete primijeniti sljedeće godine vjerovatno će izgledati prilično slično onome što je isporučeno prije tri godine, bez obzira na to što obećavaju radovi sa konferencije.