Presentazione del modulatore Mach-Zehnder fotonico al silicioModulatore MZM
Il modulatore Mach-Zehnder è il componente più importante all'estremità del trasmettitore nei moduli fotonici al silicio da 400G/800G. Attualmente, all'estremità del trasmettitore dei moduli fotonici al silicio prodotti in serie, esistono due tipi di modulatori: un tipo è il modulatore PAM4 basato su una modalità di lavoro a canale singolo da 100 Gbps, che raggiunge la trasmissione dati a 800 Gbps attraverso un approccio parallelo a 4 canali/8 canali ed è applicato principalmente nei data center e nelle GPU. Naturalmente, un modulatore Mach-Zehnder per la fotonica al silicio a canale singolo da 200 Gbps che competerà con l'EML dopo la produzione di massa a 100 Gbps non dovrebbe essere lontano. Il secondo tipo è ilModulatore del QIapplicato nella comunicazione ottica coerente a lunga distanza. La trasmissione coerente menzionata nella fase attuale si riferisce alla distanza di trasmissione dei moduli ottici, che va da migliaia di chilometri nella rete dorsale metropolitana a moduli ottici ZR che vanno da 80 a 120 chilometri, e persino a moduli ottici LR che in futuro arriveranno a 10 chilometri.
Il principio dell'alta velocitàmodulatori di siliciopuò essere suddiviso in due parti: ottica ed elettricità.
Parte ottica: Il principio di base è un interferometro di Mach-Zehnder. Un fascio di luce attraversa un divisore di fascio 50-50 e si divide in due fasci di luce con uguale energia, che continuano a essere trasmessi nei due bracci del modulatore. Tramite il controllo di fase su uno dei bracci (ovvero, modificando l'indice di rifrazione del silicio mediante un riscaldatore per alterare la velocità di propagazione di un braccio), la combinazione finale dei fasci viene effettuata all'uscita di entrambi i bracci. Attraverso l'interferenza è possibile ottenere la lunghezza di fase di interferenza (dove i picchi di entrambi i bracci si raggiungono simultaneamente) e la cancellazione dell'interferenza (dove la differenza di fase è di 90° e i picchi sono opposti ai minimi), modulando così l'intensità luminosa (che può essere interpretata come 1 e 0 nei segnali digitali). Questa è una semplice spiegazione e anche un metodo di controllo per il punto di lavoro in applicazioni pratiche. Ad esempio, nella comunicazione dati, si lavora a un punto 3 dB inferiore al picco, mentre nella comunicazione coerente si lavora in assenza di luce. Tuttavia, questo metodo di controllo della differenza di fase tramite riscaldamento e dissipazione del calore per controllare il segnale di uscita richiede molto tempo e non è in grado di soddisfare il nostro requisito di trasmettere 100 Gbps al secondo. Pertanto, dobbiamo trovare un modo per ottenere una velocità di modulazione più elevata.
La sezione elettrica è costituita principalmente dalla giunzione PN, che deve modificare l'indice di rifrazione ad alta frequenza, e dalla struttura dell'elettrodo a onda progressiva, che adatta la velocità del segnale elettrico a quella del segnale ottico. Il principio alla base della modifica dell'indice di rifrazione è l'effetto di dispersione del plasma, noto anche come effetto di dispersione dei portatori liberi. Si riferisce all'effetto fisico per cui, quando la concentrazione di portatori liberi in un materiale semiconduttore cambia, anche le parti reale e immaginaria dell'indice di rifrazione del materiale cambiano di conseguenza. Quando la concentrazione di portatori nei materiali semiconduttori aumenta, il coefficiente di assorbimento del materiale aumenta mentre la parte reale dell'indice di rifrazione diminuisce. Analogamente, quando i portatori nei materiali semiconduttori diminuiscono, il coefficiente di assorbimento diminuisce mentre la parte reale dell'indice di rifrazione aumenta. Grazie a questo effetto, nelle applicazioni pratiche è possibile ottenere la modulazione di segnali ad alta frequenza regolando il numero di portatori nella guida d'onda di trasmissione. Infine, i segnali 0 e 1 compaiono in uscita, caricando segnali elettrici ad alta velocità sull'ampiezza dell'intensità luminosa. Questo risultato si ottiene tramite la giunzione PN. I portatori di carica liberi nel silicio puro sono molto pochi e la variazione della loro quantità è insufficiente a compensare la variazione dell'indice di rifrazione. Pertanto, è necessario aumentare la base dei portatori di carica nella guida d'onda di trasmissione drogando il silicio per ottenere la variazione dell'indice di rifrazione e, di conseguenza, una modulazione a velocità più elevata.
Data di pubblicazione: 12 maggio 2025