Оптичні модулятори підходять для високочастотних сигналів

 

Кошмар відповідності швидкості

Ось що замовчують у підручниках, описуючи модулятори-на хвилі Маха-Цендера.

У ніобаті літію мікрохвильовий індекс становить близько 4,2, тоді як оптичний індекс коливається близько 2,2. Ця невідповідність означає, що радіочастотні сигнали та світлові хвилі поширюються через електродну структуру з надзвичайно різними швидкостями. На низьких частотах нікого не хвилює - тривалість взаємодії достатньо коротка, щоб фазовий спад залишався незначним. Перейдіть у режим гігагерц, і раптом ваш чудово спроектований модулятор демонструє спад пропускної здатності, що робить цифри в таблиці даних схожими на фантастику.

Виправлення передбачає складну техніку електродів. Ви потовщуєте буферні шари, розширюєте проміжки, додаєте ємнісні навантажувальні структури, в основному все, щоб уповільнити мікрохвильову піч, не руйнуючи ефективність модуляції в процесі. Тонка-плівка ніобату літію дещо змінила гру - обмеження світла суб-мікронними хвилеводами природним чином зменшує ефективний оптичний індекс і забезпечує узгодження швидкості в межах досяжності без викривлень, необхідних для традиційних об’ємних пристроїв.

У 2019 році я витратив три місяці на налагодження конструкції модулятора 40 ГГц, де змодельована смуга пропускання виглядала чудово, а виміряний відгук перевищував 25 ГГц. Винуватцем виявилася паразитна індуктивність у заземленій площині, яку ніхто належним чином не змоделював. Три місяці.

 

Чому ніобат літію все ще перемагає (переважно)

Незважаючи на десятиліття розробки напівпровідникової фотоніки, LiNbO₃ залишається вибором за умовчанням для високо-модуляторів у телекомунікаційних і радіочастотних фотонних каналах зв’язку. Причини невідомі: коефіцієнт r₃₃ становить приблизно 31 пм/В, оптична прозорість від 350 нм до 5 мкм і розвинена інфраструктура виготовлення, яка забезпечує стабільні результати.

Революція в тонких{0}} плівках - завдяки скріпленню суб{2}}мікронних шарів LN на кремнієвих або нітридних підкладках - розкрила продуктивність, якої просто не могли досягти масові пристрої. Нещодавні демонстрації підштовхнули смугу пропускання на 3-дБ понад 110 ГГц із продуктами довжини напруги-близько 2,2 В·см. Порівняйте це зі звичайними титановими індифузійними хвилеводами, які потребують 5-6 В·см, і ви зрозумієте, чому всі раптово зацікавилися TFLN близько 2018 року.

Але в матеріалі є проблеми, на які постачальники не наголошують у маркетинговій літературі.

 

Фоторефрактивне пошкодження є реальним і неприємним

 

Z-cut проти X-cut: вічний компроміс

Орієнтація кристала визначає, чи чіпкає ваш модулятор.

Пристрої Z-cut розміщують електроди безпосередньо над і під хвилеводом, максимально збільшуючи накладання електричного поля на оптичний режим. Ви отримуєте менший Vπ, що означає меншу потужність радіочастотного приводу, необхідну для повної глибини модуляції. Заковика полягає в асиметричній фазовій модуляції між двома плечами інтерферометра -, коли ви зменшуєте інтенсивність, ви одночасно створюєте небажані частотні зрушення для свого сигналу.

Конфігурації X-cut розміщують електроди поряд із хвилеводом у симетричній формі push{1}}pull. Обидва плеча відчувають однакові та протилежні фазові зсуви. Нульовий чирп. Чиста амплітудна модуляція. Але перекривання поля страждає, підвищуючи Vπ і вимагаючи потужніших РЧ-підсилювачів.

Для цифрового зв’язку, що використовує NRZ зі швидкістю 10 Гбіт/с, chirp дійсно може допомогти - він може частково компенсувати хроматичну дисперсію на певній довжині волокна. Для аналогових радіочастотних фотонних каналів, де лінійність має значення, X-cut стає обов’язковим.

 

Електропоглинання діє інакше

Напівпровідникові-EAM використовують зміщення-країв поглинання, а не зміни показника заломлення. Застосуйте зворотне зміщення до структури квантової ями, і край поглинання зміщується в червоний колір завдяки квантовому-обмеженому ефекту Штарка -. Хвильові функції екситонів спотворюються, енергії зв’язку зменшуються, і фотони, які передавались раніше, тепер поглинаються.

Принадність цього підходу: вимоги до низьковольтного приводу та внутрішня сумісність із інтеграцією лазера III-V. Ви можете виготовити свій DFB-лазер і модулятор на одному чіпі InP, усуваючи втрати на сполученні волокон і головні болі при вирівнюванні.

Потворність: чутливість до довжини хвилі, завдяки якій LiNbO₃ виглядає широкосмуговим у порівнянні. Коефіцієнти екстинкції EAM падають, якщо ваш лазер дрейфує навіть на кілька нанометрів. Контроль температури не-підлягає обговоренню.

Крім того, поглинання за своєю природою генерує фотострум. За високих оптичних потужностей цей струм змінює розподіл електричного поля в квантових ямах, через що ефективність модуляції стає -залежною від потужності, що ускладнює конструкцію з’єднання.

 

Що насправді обмежує пропускну здатність

Люди змішують кілька різних обмежень пропускної здатності, і це створює плутанину.

Електрична смуга пропускання залежить від постійних часу RC від ємності переходу та опору електродів, а також ефектів біжучої-хвилі, як-от неузгодженість швидкості та мікрохвильові втрати. Ці фактори зазвичай домінують у добре-продуманих пристроях.

Оптична смуга пропускання - означає діапазон довжин хвиль, у якому ефективність модуляції залишається приблизно постійною -, залежить від дисперсії матеріалу та конструкції хвилеводу. Для пристроїв на ніобаті літію це зазвичай величезне, охоплюючи сотні нанометрів. Для EAM це може бути 20-30 морських миль, якщо вам пощастить.

Власний час відгуку матеріалу для ефекту Поккельса знаходиться в фемтосекундному режимі. Ніхто ніколи не створював модулятор настільки швидко, щоб побачити цю межу. Ефект Франц-Келдиша реагує так само швидко. Коли постачальники цитують «час відгуку 1 пс», вони говорять про RC-обмежену електричну комутацію, а не про фундаментальну фізику.

 

 

Відповідність імпедансу має більше значення, ніж ви думаєте

Стандартні радіочастотні системи скрізь припускають 50 Ом. Оптичні модулятори часто представляють реактивне навантаження, яке змінюється залежно від частоти - кристал поводиться як конденсатор із втратами паралельно з будь-яким електродним опором.

Увімкніть високочастотний модулятор із неперевершеним джерелом, і ви побачите відбиття, що пошкоджує підсилювачі, стоячі хвилі, що створюють хвилі,-залежні від частоти, і ефективність доставки електроенергії, яка різко падає саме тоді, коли вам це найбільше потрібно.

Конструкції-мандрівної хвилі допомагають, представляючи розподілений імпеданс уздовж довжини електрода. Кінцеві резистори поглинають те, що не поєднується з оптичним полем. Але досягнення справжнього збігу 50 Ом від постійного струму до 100 ГГц вимагає точності моделювання, яка висуває комерційні електроінструменти на межі своїх можливостей.

Резонансні модулятори використовують протилежний підхід -, навмисно невідповідаючи, щоб створити схему резервуара з високою-Q, яка перетворює низькі вхідні напруги в поля масштабу кіловольт-, необхідні для повного коливання Vπ. Чудово працює на одній частоті. Непридатний для широкосмугових програм.

 

Проблему дрейфу упередженості ніхто не хоче обговорювати

Подайте напругу постійного струму на модулятор ніобату літію та зачекайте. Робоча точка блукає.

Це відбувається тому, що структура пристрою не є суто резистивною - у вас є буферні шари, титанові-дифузні області, нелегована підкладка, усі з різною провідністю та діелектричною проникністю. Заряд перерозподіляється від годин до днів, екрануючи застосоване поле та змінюючи функцію передачі.

Правильна конструкція модулятора мінімізує дрейф завдяки ретельному вибору матеріалу та контролю процесу виготовлення. Але «звести до мінімуму» не означає «усунути». Кожна серйозна установка включає контролери зміщення, які контролюють оптичний вихід і постійно регулюють напругу для підтримки бажаної робочої точки.

Піроелектричний ефект додає ще один шар роздратування. Зміни температури породжують спонтанну поляризацію, яка виглядає точно так само, як прикладена напруга з точки зору кристала. Помістіть модулятор біля джерела тепла та спостерігайте, як точка зміщення танцює навколо.

 

Плазмонні модулятори існують, але залишаються екзотикою

Висота звучить переконливо: обмежте світлові та радіочастотні поля нанорозмірними проміжками за допомогою поверхневих плазмонних мод, досягнувши ефективності модуляції, неможливої ​​з фотонними хвилеводами.

Останні результати демонструють продукти VπL нижче 0,1 В·см з довжиною електродів менше 20 мкм. Смуга пропускання значно перевищує 100 ГГц, оскільки все настільки мало, що узгодження швидкості стає тривіальним.

Улов передбачає втрату. Плазмонні моди розсіюють енергію на нагрівання металу. Внесені втрати в 10-15 дБ на пристрій ускладнюють бюджет-потужності системного рівня. А для переведення світла від стандартних одномодових волокон до нанорозмірних плазмонних слотів потрібні конічні структури, які споживають площу мікросхеми та додають власні втрати.

Для нішевих застосувань, де розмір і швидкість переважають над ефективністю, плазмоніка має сенс. Для телекомунікаційних трансиверів, які постачають мільйони одиниць, технологія залишається академічною.

 

Кремнієва фотоніка хоче конкурувати

Модулятори-збіднення несучої в кремнії забезпечують сумісність із CMOS та щільність інтеграції, з якою не може зрівнятися ніобат літію. Виготовте свій модулятор разом із електронікою драйвера на тій самій пластині, використовуючи процеси, які вже застосовуються в ливарних цехах.

Продуктивність значно покращилася - 50 смуги пропускання ГГц є звичайними, продемонстровано роботу зі швидкістю 85 Гбод. Але механізм, що лежить в основі, покладається на поглинання вільних-носіїв і дисперсію плазми, обидва слабкі ефекти, які вимагають більшої довжини взаємодії або резонансного посилення для досягнення прийнятних коефіцієнтів згасання.

Гібридні підходи до склеювання тонко{0}}плівок LN на кремнієві фотонні схеми намагаються отримати переваги обох світів. Ви отримуєте ефективність модуляції ніобату літію з щільністю інтеграції кремнію. Відповідно зростає складність виготовлення.

 

Температурна чутливість сильно варіюється

Ніобат літію демонструє високі термо{0}}оптичні коефіцієнти - близько 3,9×10⁻⁵ / градус для надзвичайного показника. Коливання на 10 градусів зсуває зміщення інтерферометра приблизно на чверть довжини хвилі, якщо ви не будете обережні.

Напівпровідникові модулятори стикаються з подібними проблемами, плюс зміщення забороненої зони, що змінює межі поглинання.

Стандартне рішення включає атермічну конструкцію (розташування хвилеводів так, щоб скасовувати-індуковані температурою зсуви фаз) або активну стабілізацію температури за допомогою термоелектричних охолоджувачів. Жоден підхід не є безкоштовним - атермічні конструкції споживають площу мікросхеми, тоді як системи TEC споживають електроенергію та додають режими відмови.

Польові-системи відчувають коливання температури навколишнього середовища, які лабораторні демонстрації зручно ігнорують. Те, що чудово працює при 25 градусах, може стати непридатним при -40 градусах або +85 градусах без серйозних інженерних зусиль.

 

Домінують витрати на упаковку

На це постійно не звертають уваги.

Фактична мікросхема модулятора може коштувати кілька доларів. Упаковка цього чіпа з радіочастотними роз’ємами, оптоволоконними гігами, фотодетекторами моніторингу зсуву, терморегулятором і герметичною герметизацією легко додає $500-2000 до списку матеріалів.

Робота на високих-частотах ускладнює упаковку, оскільки індуктивність з’єднання кожного дроту та розрив роз’єму мають значення. 40 Пристрої ГГц вимагають особливої ​​уваги до безперервності площини заземлення. 100 Пристрої ГГц потребують з’єднання-чіпів або подібних методів, які додають етапи процесу та зменшують продуктивність.

За два десятиліття галузь покращилася в цьому, але упаковка залишається причиною того, що комерційні модулятори коштують так, як вони роблять.

 

Який фактичний обсяг доставки

Незважаючи на всі захоплюючі результати досліджень,-ринок телекомунікацій з великим обсягом використовує переважно пристрої, які п’ять років тому здавалися б вражаючими, а сьогодні звичайними.

20-40 ГГц MZM з ніобату літію домінують для когерентної передачі 100G/400G. Кремнієві фотонні модулятори з’являються у з’єднаннях центрів обробки даних, де інтеграція з електронікою має більше значення, ніж продуктивність. EAM на основі InP-, інтегровані з DFB, обслуговують програми з короткою дальністю, де вартість і розмір переважають над характеристиками продуктивності.

Передові -демонстрації 100+ ГГц залишаються в лабораторіях або невеликих-спеціальних програмах. Виробнича продуктивність, кваліфікація надійності та зниження витрат потребують років, щоб досягти зрілості.

 

Надійність – це не гламурно, але важливо

Оператори зв’язку очікують 20-річного терміну експлуатації. Це означає демонстрацію стабільності дрейфу зміщення через прискорене старіння, доведення цілісності кріплення волокна, що витримує термічні цикли, і кваліфікацію кожного герметичного ущільнення від проникнення вологи.

Пристрої з ніобату літію мають десятиліття даних про надійність, що підтверджує їх використання в підводних кабелях і наземних магістральних лініях. Новіші технології підлягають суворішій перевірці, оскільки режими відмови ще не повністю охарактеризовані.

Однією з повторюваних проблем є деградація електродів при високих рівнях радіочастотної потужності. Міграція металу, утворення оксиду та механічна напруга від термічного циклу поступово збільшують внесені втрати та зсув Vπ. Прискорене тестування за підвищених температур намагається передбачити поведінку--наприкінці життя, але кореляція між результатами лабораторії та польовим досвідом залишається недосконалою.

 

Цифри, які мають значення

Оцінюючи модулятор для -високочастотних застосувань, слід звернути увагу на такі характеристики:

3-дБ електро-оптичної смуги пропускання - не значення -6 дБ, яке прокрадається в деяких таблицях даних. Специфікація 40 ГГц при -6 дБ може забезпечити лише 25 ГГц при -3 дБ.

Vπ на вашій робочій частоті, а не на постійному струмі. Втрата на електроді та невідповідність швидкості спричиняють збільшення Vπ із частотою в більшості конструкцій біжучої-хвилі.

Внесені втрати, включаючи волоконний зв'язок. Номери рівнів чіпів- виглядають краще, ніж номери упакованих пристроїв, іноді надзвичайно.

Коефіцієнт загасання при модуляції, не статичний. Недосконалість радіоприводу та обмеження пропускної здатності зменшують досяжний контраст на високих частотах.

Зворотні втрати або S11 для характеристики якості відповідності імпедансу. Низькі зворотні втрати вказують на відображення, які спричинять проблеми у вашому РЧ-ланцюзі.

Ніхто не вимірює все, що вам потрібно саме в ваших умовах експлуатації. Інтерпретація таблиць даних вимагає досвіду розпізнавання, які цифри відповідають вашій програмі, а які представляють найкращі-сценарії, яких ви ніколи не досягнете.

 

Майбутні напрямки, які можуть мати значення

Більш висока інтеграція продовжує просувати технологію модулятора до фотонних інтегральних схем, що поєднують лазери, модулятори, підсилювачі та мультиплексори на одному чіпі. Це зменшує втрати на сполученні волокна, виключає збірку окремих компонентів і забезпечує функціональність, неможливу з дискретними пристроями.

Перехід до вищих швидкостей передачі - 100+ Гбод для когерентної передачі - вимагає пропускної здатності модулятора, якої ледве досягають поточні комерційні продукти. Пристрої TFLN, здається, здатні задовольнити цю потребу, якщо виробництво успішно масштабується.

Ком-комбінована оптика, яка розміщує фотоніку безпосередньо на ASIC комутаторів, представляє ще один рубіж інтеграції. Електричні інтерфейси стають надзвичайно короткими, потенційно забезпечуючи більшу пропускну здатність із меншою потужністю, ніж у сучасних підключених трансиверів.

Чи виграє якась конкретна технологія, залежить не стільки від продуктивності сировини, скільки від вартості виробництва, зрілості ланцюга постачання та підтримки екосистеми - факторів, які рухаються повільніше, ніж можуть припустити результати лабораторії.

Модулятор, який ви розгорнете наступного року, ймовірно, виглядатиме дуже схожим на той, який був надісланий три роки тому, незалежно від того, що обіцяють документи на конференції.