Оптичните модулатори отговарят на високочестотни сигнали

 

Кошмарът за съпоставяне на скоростта

Ето какво се премълчава в учебниците, когато се описват модулаторите с пътуващи-вълни на Мах-Zehnder.

В литиев ниобат микровълновият индекс е около 4,2, докато оптичният индекс се движи близо до 2,2. Това несъответствие означава, че радиочестотните сигнали и светлинните вълни се разпространяват с много различни скорости през вашата електродна структура. При ниски честоти никой не се интересува - дължината на взаимодействието е достатъчно кратка, така че фазовото отклонение остава незначително. Преминете към гигахерцовия режим и внезапно вашият красиво проектиран модулатор показва намаляване на честотната лента, което прави числата в таблицата с данни да изглеждат като фантазия.

Корекцията включва сложна електродна техника. Удебелявате буферните слоеве, разширявате празнините, добавяте капацитивни зареждащи структури, общо взето всичко, за да забавите микровълновата печка, без да унищожавате ефективността на модулацията си в процеса. Тънко-слойният литиев ниобат промени играта донякъде - ограничаването на светлината до под-микронни вълноводи естествено намалява ефективния оптичен индекс и осигурява съвпадение на скоростта в обсега без изкривяване, което се изисква от традиционните обемни устройства.

Прекарах три месеца през 2019 г. в отстраняване на грешки в дизайн на модулатор с честота 40 GHz, където симулираната честотна лента изглеждаше великолепна, а измерената реакция падна над 25 GHz. Виновникът се оказа паразитна индуктивност в заземената равнина, която никой не е моделирал правилно. Три месеца.

 

Защо литиевият ниобат все още печели (най-вече)

Въпреки десетилетията на развитие на полупроводниковата фотоника, LiNbO₃ остава изборът по подразбиране за модулатори с висока-производителност в телекомуникационните и радиочестотни фотонни връзки. Причините не са мистериозни: коефициент r₃₃ от приблизително 31 pm/V, оптична прозрачност от 350 nm до 5 μm и зряла производствена инфраструктура, която осигурява постоянни резултати.

Революцията на тънкия{0}}слой - свързване на суб{2}}микронни LN слоеве върху силициеви или силициеви нитридни субстрати - отключи производителност, която масовите устройства просто не можеха да постигнат. Скорошни демонстрации изтласкаха честотната лента с 3-dB над 110 GHz с продукти с дължина-на напрежение около 2,2 V·cm. Сравнете това с конвенционалните вълноводи с индифузия на титан, изискващи 5-6 V·cm, и ще разберете защо всички изведнъж се заинтересуваха от TFLN около 2018 г.

Но материалът има проблеми, които продавачите не наблягат в маркетинговата литература.

 

Фоторефрактивното увреждане е реално и досадно

 

Z-cut срещу X-cut: вечният компромис

Ориентацията на кристала определя дали вашият модулатор цвърчи.

Z{0}}устройствата за изрязване позиционират електродите директно над и под вълновода, като увеличават максимално припокриването на електрическото поле с оптичния режим. Получавате по-ниско Vπ, което означава по-малко RF задвижваща мощност, необходима за пълна дълбочина на модулация. Уловката включва асиметрична фазова модулация между двете рамена на интерферометъра - когато натискате интензитета надолу, вие едновременно налагате нежелани честотни промени на вашия сигнал.

Конфигурациите X-cut поставят електроди до вълновода в симетрично натискане-дърпане. И двете рамена изпитват равни и противоположни фазови смени. Нулево чуруликане. Чиста амплитудна модулация. Но припокриването на полето страда, карайки Vπ по-високо и изисквайки по-мощни RF усилватели.

За цифрови комуникации, изпълняващи NRZ при 10 Gb/s, chirp може действително да помогне - той може частично да компенсира хроматичната дисперсия при определени дължини на влакното. За аналогови радиочестотни фотонни връзки, където линейността има значение, X-cut става задължителен.

 

Електроабсорбцията прави нещата по различен начин

Базираните-на полупроводници EAM използват измества-поглъщането на ръба на лентата, а не промени в индекса на пречупване. Приложете обратното отклонение в структурата на квантовата яма и ръбът на поглъщане се измества в червено чрез квантов-ограничения ефект на Старк - вълновите функции на екситона се изкривяват, енергиите на свързване намаляват и фотоните, които преди са били предавани, сега се абсорбират.

Красотата на този подход: изисквания за под-волтово задвижване и присъща съвместимост с III-V лазерна интеграция. Можете да произведете вашия DFB лазер и модулатор на един и същ InP чип, елиминирайки загубите при свързване на влакна и главоболията при подравняване.

Грозотата: чувствителност към дължина на вълната, която прави LiNbO₃ да изглежда широколентов в сравнение. Коефициентите на екстинкция на EAM се сриват, ако вашият лазер се отклони дори с няколко нанометра. Контролът на температурата не-подлежи на обсъждане.

Също така, абсорбцията по своята същност генерира фототок. При високи оптични мощности този ток модифицира разпределението на електрическото поле в квантовите ямки, карайки ефективността на модулацията да стане-зависима от мощността по начини, които усложняват дизайна на връзката.

 

Какво всъщност ограничава честотната лента

Хората обединяват няколко различни ограничения на честотната лента и това създава объркване.

Електрическата честотна лента зависи от RC времевите константи от капацитета на прехода и съпротивлението на електрода плюс ефекти на пътуващата-вълна като несъответствие на скоростта и микровълнова загуба. Тези фактори обикновено доминират в добре-разработените устройства.

Оптичната честотна лента -, което означава обхватът на дължината на вълната, в който ефективността на модулацията остава приблизително постоянна - зависи от дисперсията на материала и конструкцията на вълновода. За устройства с литиев ниобат това обикновено е огромно, обхващащо стотици нанометри. За EAM може да е 20-30 nm, ако имате късмет.

Вътрешното време за реакция на материала за ефекта на Pockels се намира в фемтосекундния режим. Никой никога не е създавал модулатор достатъчно бързо, за да види това ограничение. Ефектът на Франц-Келдиш реагира подобно бързо. Когато доставчиците цитират "1 ps време за реакция", те говорят за RC-ограничено електрическо превключване, а не за фундаментална физика.

 

 

Съвпадението на импеданса е по-важно, отколкото си мислите

Стандартните RF системи предполагат 50 Ω навсякъде. Оптичните модулатори често представят реактивни товари, които варират в зависимост от честотата - кристалът се държи като кондензатор със загуби успоредно с каквото и да е съпротивление на електрода.

Управлявайте високо{0}}честотен модулатор с несравним източник и ще видите отражения, които увреждат усилвателите, стоящи вълни, които създават честотно-зависими вълни на отговора, и ефективност на доставяне на мощност, която пада точно когато имате най-голяма нужда от нея.

Конструкциите с пътуваща{0}}вълна помагат, като представят разпределен импеданс по дължината на електрода. Крайните резистори абсорбират това, което не се свързва с оптичното поле. Но постигането на истинско съвпадение на 50Ω от DC до 100 GHz изисква точност на симулацията, която тласка комерсиалните EM инструменти до техните граници.

Резонансните модулатори възприемат обратния подход - умишлено несъответствие, за да създадат високо-Q резервоарна верига, която трансформира ниски входни напрежения в киловолтови-мащабни полета, необходими за пълно Vπ колебание. Работи отлично на една честота. Безполезен за широколентови приложения.

 

Проблемът с отклонението на пристрастията никой не иска да обсъжда

Приложете постоянно напрежение към модулатор на литиев ниобат и изчакайте. Работната точка се лута.

Това се случва, защото структурата на устройството не е чисто резистивна - имате буферни слоеве, титанови-дифузни региони, нелегиран субстрат, всички с различна проводимост и диелектрични константи. Зарядът се преразпределя за часове до дни, скринирайки приложеното поле и измествайки трансферната функция.

Правилният дизайн на модулатора минимизира дрейфа чрез внимателен избор на материал и контрол на производствения процес. Но „минимизиране“ не означава „премахване“. Всяка сериозна инсталация включва контролери за отклонение, които следят оптичния изход и непрекъснато регулират напрежението, за да поддържат желаната работна точка.

Пироелектричният ефект добавя още един слой досада. Температурните промени генерират спонтанна поляризация, която изглежда точно като приложеното напрежение от гледна точка на кристала. Поставете вашия модулатор близо до източник на топлина и гледайте как точката на отклонение танцува наоколо.

 

Плазмоничните модулатори съществуват, но остават екзотични

Стъпката звучи завладяващо: ограничете светлинните и радиочестотните полета до наномащабни пропуски, като използвате повърхностни плазмонни режими, постигайки ефективност на модулация, невъзможна с фотонни вълноводи.

Последните резултати показват VπL продукти под 0,1 V·cm с дължини на електродите под 20 μm. Ширината на честотната лента достига доста над 100 GHz, защото всичко е толкова малко, че съвпадението на скоростта става тривиално.

Уловката включва загуба. Плазмоничните режими разсейват енергията в метално нагряване. Загубите на вмъкване от 10-15 dB на устройство затрудняват енергийните бюджети-на ниво система. А свързването на светлина от стандартни едномодови влакна в наномащабни плазмонични слотове изисква конусовидни структури, които консумират площ на чипа и добавят свои собствени загуби.

За нишови приложения, където размерът и скоростта надделяват над ефективността, плазмониката има смисъл. За телеком трансивърите, доставящи милиони единици, технологията остава академична.

 

Силициевата фотоника иска да се конкурира

Модулаторите-изчерпване на носителя в силиций предлагат CMOS съвместимост и плътност на интегриране, които литиевият ниобат не може да съпостави. Изработете вашия модулатор заедно с електрониката на драйвера на една и съща пластина, като използвате процеси, които леярните вече изпълняват в мащаб.

Производителността се е подобрила драстично - 50 GHz честотните ленти са рутинни, демонстрирана е работа с 85 Gbaud. Но основният механизъм разчита на абсорбция на свободен-носител и плазмена дисперсия, и двата слаби ефекта, които изискват по-дълги дължини на взаимодействие или резонансно усилване за постигане на разумни съотношения на екстинкция.

Хибридните подходи, свързващи тънко{0}}слоен LN върху силициеви фотонни вериги, се опитват да уловят предимствата и от двата свята. Получавате модулационната ефективност на литиевия ниобат с интеграционната плътност на силиция. Сложността на производството се увеличава съответно.

 

Температурната чувствителност варира значително

Литиевият ниобат показва силни термо{0}}оптични коефициенти - около 3,9 × 10⁻⁵ / градус за изключителния индекс. Завъртането на 10 градуса измества отклонението на интерферометъра ви с приблизително една четвърт дължина на вълната, ако не сте внимателни.

Полупроводниковите модулатори са изправени пред подобни проблеми плюс изместване на ширината на лентата, което променя ръбовете на поглъщане.

Стандартното решение включва атермален дизайн (подреждане на вълноводни пътища, така че температурно{0}}предизвиканите фазови измествания да се отменят) или активна температурна стабилизация с помощта на термоелектрически охладители. Нито един подход не е безплатен - атермалните дизайни консумират площ на чипа, докато TEC системите черпят енергия и добавят режими на повреда.

-Въведените на място системи изпитват промени в температурата на околната среда, които лабораторните демонстрации удобно игнорират. Това, което работи прекрасно при 25 градуса, може да стане неизползваемо при -40 градуса или +85 градуса без сериозни инженерни усилия.

 

Доминират разходите за опаковка

Това постоянно се пренебрегва.

Действителният модулаторен чип може да струва няколко долара като обем. Опаковането на този чип с радиочестотни конектори, оптични влакна, фотодетектори за наблюдение на отклонение, термично управление и херметично запечатване лесно добавя $500-2000 към сметката за материали.

Високо{0}}честотната работа прави опаковането по-трудно, тъй като индуктивността на всяка проводна връзка и прекъсването на съединителя имат значение. 40 GHz устройствата изискват внимателно внимание към непрекъснатостта на заземената равнина. 100 GHz устройствата изискват обръщане-свързване на чипове или сравними техники, които добавят стъпки на процеса и намаляват добива.

Индустрията се е подобрила в това в продължение на две десетилетия, но опаковката остава причината комерсиалните модулатори да струват това, което правят.

 

Какво всъщност се доставя в обем

Въпреки всички вълнуващи резултати от изследванията,-телекомуникационният пазар с големи количества използва предимно устройства, които биха изглеждали впечатляващи преди пет години и обикновени днес.

20-40 GHz литиев ниобат MZM доминират за 100G/400G кохерентно предаване. Силициевите фотонни модулатори се появяват във връзките на центровете за данни, където интеграцията с електрониката има повече значение от суровата производителност. Базираните на InP- EAM, интегрирани с DFB, обслужват приложения с малък обсег, където цената и размерът надделяват над спецификациите за производителност.

Модерните -демонстрации на 100+ GHz остават в лаборатории или малки{2}}обемни специални приложения. Производственият добив, квалификацията за надеждност и намаляването на разходите отнемат години, за да узреят.

 

Надеждността не е бляскава, но е от съществено значение

Телекомуникационните оператори очакват 20-годишен експлоатационен живот. Това означава да се демонстрира стабилност на отклонение чрез ускорено стареене, да се докаже, че целостта на закрепването на влакната преживява термични цикли и да се квалифицира всяко херметично уплътнение срещу проникване на влага.

Устройствата с литиев ниобат имат данни за надеждност от десетилетия, подкрепящи използването им в подводни кабели и наземни опорни връзки. По-новите технологии са изправени пред по-строг контрол, тъй като режимите на отказ все още не са напълно характеризирани.

Един повтарящ се проблем включва разграждане на електрода при високи нива на RF мощност. Миграцията на метал, образуването на оксид и механичното напрежение от термични цикли постепенно увеличават загубата на вмъкване и изместват Vπ. Ускореното тестване при повишени температури се опитва да предскаже поведението-на-живота, но връзката между лабораторните резултати и полевия опит остава несъвършена.

 

Числата, които имат значение

Когато оценявате модулатор за високо{0}}честотни приложения, тези спецификации заслужават внимание:

3-dB електро-оптична честотна лента - не точката от -6 dB, която се промъква в някои таблици с данни. Спецификация от 40 GHz при -6 dB може да осигури само 25 GHz при -3 dB.

Vπ на вашата работна честота, а не DC. Загубата на електрод и несъответствието на скоростта карат Vπ да се увеличава с честотата в повечето модели на пътуваща-вълна.

Вмъкната загуба, включително свързване на влакна. Чипове-нивото изглеждат по-добре от опакованите номера на устройствата, понякога драматично.

Коефициент на изчезване при модулация, а не статичен. Несъвършенствата на радиочестотното задвижване и ограниченията на честотната лента намаляват постижимия контраст при високи честоти.

Възвратна загуба или S11 за характеризиране на качеството на съответствие на импеданса. Слабата обратна загуба показва отражения, които ще причинят проблеми във вашата RF верига.

Никой не измерва всичко, от което се нуждаете точно при вашите условия на работа. Тълкуването на таблици с данни изисква опит в разпознаването кои числа се превеждат във вашето приложение и кои представляват най-добрия-сценарий, който никога няма да постигнете.

 

Бъдещи насоки, които наистина могат да имат значение

По-високата интеграция продължава да тласка модулаторната технология към фотонни интегрални схеми, съчетаващи лазери, модулатори, усилватели и мултиплексори на единични чипове. Това намалява загубите при свързване на влакна, елиминира сглобяването на дискретни компоненти и позволява функционалност, невъзможна с дискретни устройства.

Преминаването към по-високи скорости на предаване - 100+ Gbaud за кохерентно предаване - изисква честотни ленти на модулатора, които настоящите търговски продукти едва постигат. TFLN устройствата изглежда са позиционирани да отговорят на тази нужда, ако производството се мащабира успешно.

Съв-опакованата оптика, поставяща фотониката директно върху ASIC на превключвателя, представлява друга граница на интеграция. Електрическите интерфейси стават изключително къси, което потенциално позволява по-висока честотна лента с по-ниска мощност от настоящите щепселни трансивъри.

Дали някоя конкретна технология печели зависи не толкова от суровата производителност, колкото от производствените разходи, зрелостта на веригата за доставки и поддръжката на екосистемата - фактори, които се движат по-бавно, отколкото предполагат лабораторните резултати.

Модулаторът, който внедрите следващата година, вероятно ще изглежда доста подобен на това, което беше изпратено преди три години, независимо от това, което обещават документите от конференцията.