Optički modulatori odgovaraju visokofrekventnim signalima

 

Noćna mora za usklađivanje brzine

Evo što udžbenici prešućuju kada opisuju putujuće-valne Mach-Zehnder modulatore.

Kod litijeva niobata, mikrovalni indeks je oko 4,2 dok se optički indeks kreće 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 - duljina interakcije je dovoljno kratka da fazni hod ostaje zanemariv. Prebacite se na gigahercni režim i iznenada vaš lijepo dizajnirani modulator pokazuje opadanje propusnosti zbog čega brojke u podatkovnoj tablici izgledaju poput fantazije.

Popravak uključuje razrađeni inženjering elektroda. Podebljavate slojeve međuspremnika, proširujete praznine, dodajete kapacitivne strukture za učitavanje, zapravo bilo što da usporite mikrovalnu pećnicu, a da pritom ne uništite svoju učinkovitost modulacije. Tanko-slojni litij niobat donekle je promijenio igru ​​- ograničavanje svjetlosti na sub-mikronske valovode prirodno smanjuje efektivni optički indeks i donosi usklađivanje brzine na dohvat ruke bez izobličenja koja su potrebna tradicionalnim masovnim uređajima.

Proveo sam tri mjeseca 2019. otklanjajući pogreške u dizajnu modulatora od 40 GHz gdje je simulirana širina pojasa izgledala prekrasno, a izmjereni odziv kraterirao iznad 25 GHz. Ispostavilo se da je krivac parazitska induktivnost u ravnini uzemljenja koju nitko nije ispravno modelirao. Tri mjeseca.

 

Zašto litij niobat još uvijek pobjeđuje (uglavnom)

Unatoč desetljećima razvoja poluvodičke fotonike, LiNbO₃ ostaje zadani izbor za visoko{0}}modulatore u telekomu i RF fotoničkim vezama. Razlozi nisu misteriozni: r₃₃ koeficijent od otprilike 31 pm/V, optička prozirnost od 350 nm do 5 μm i zrela proizvodna infrastruktura koja daje dosljedne rezultate.

Revolucija tankog{0}}sloja - spajanjem sub{2}}mikronskih LN slojeva na silicij ili supstrate silicij-nitrida - otključala je performanse koje masovni uređaji jednostavno nisu mogli postići. Nedavne demonstracije gurnule su pojasne širine od 3-dB iznad 110 GHz s proizvodima duljine napona-oko 2,2 V·cm. Usporedite to s konvencionalnim valovodima s indifuzijom od titana koji zahtijevaju 5-6 V·cm i shvatit ćete zašto su se svi odjednom zainteresirali za TFLN oko 2018.

Ali materijal ima probleme koje prodavači ne naglašavaju u marketinškoj literaturi.

 

Fotorefraktivna oštećenja su stvarna i neugodna

 

Z-cut nasuprot X-cut: vječni kompromis

Orijentacija kristala određuje hoće li vaš modulator cvrčati.

Z-cut uređaji postavljaju elektrode izravno iznad i ispod valovoda, maksimizirajući preklapanje električnog polja s optičkim načinom rada. Dobivate 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, istodobno namećete neželjene pomake frekvencije vašem signalu.

X-cut konfiguracije postavljaju elektrode pored valovoda u simetričnom push{1}}pull rasporedu. Oba kraka doživljavaju jednake i suprotne fazne pomake. Nula cvrkut. Čista amplitudna modulacija. Ali preklapanje polja trpi, povećavajući Vπ i zahtijevajući jača RF pojačala.

Za digitalne komunikacije koje izvode NRZ pri 10 Gb/s, chirp bi zapravo mogao pomoći - može djelomično kompenzirati kromatsku disperziju na određenim duljinama vlakana. Za analogne RF fotonske veze gdje je linearnost važna, X-cut postaje obavezan.

 

Elektroapsorpcija čini stvari drugačije

EAM-ovi-temeljeni na poluvodiču iskorištavaju pomake-apsorpcije rubova radije nego promjene indeksa loma. Primijenite obrnutu pristranost preko strukture kvantne jame i rub apsorpcije se pomiče u crveno preko kvantno-ograničenog Starkovog efekta - valne funkcije ekscitona se iskrivljuju, energije vezanja se smanjuju, a fotoni koji su prethodno bili emitirani sada bivaju apsorbirani.

Ljepota ovog pristupa: zahtjevi za sub-naponski pogon i intrinzična kompatibilnost s integracijom lasera III-V. Možete izraditi svoj DFB laser i modulator na istom InP čipu, eliminirajući gubitke spajanja vlakana i glavobolje pri poravnanju.

Ružnoća: osjetljivost na valne duljine zbog koje LiNbO₃ izgleda širokopojasno u usporedbi. Omjeri ekstinkcije EAM-a padaju ako se vaš laser pomakne čak i nekoliko nanometara. O kontroli temperature nema-pregovaranja.

Također, apsorpcija inherentno stvara fotostruju. Pri velikim optičkim snagama ova struja modificira distribuciju električnog polja kroz kvantne jame, uzrokujući da učinkovitost modulacije postane-ovisna o snazi ​​na načine koji kompliciraju dizajn veze.

 

Što zapravo ograničava propusnost

Ljudi spajaju nekoliko različitih ograničenja propusnosti i to stvara zabunu.

Električna propusnost ovisi o RC vremenskim konstantama od spojnog kapaciteta i otpora elektrode, plus učinci putujućih-valova kao što su neusklađenost brzine i mikrovalni gubitak. Ovi čimbenici obično dominiraju u dobro-dizajniranim uređajima.

Optička širina pojasa - znači raspon valnih duljina preko kojeg učinkovitost modulacije ostaje približno konstantna - ovisi o disperziji materijala i dizajnu valovoda. Za uređaje s litijevim niobatom to je obično ogromno, obuhvaća stotine nanometara. Za EAM-ove to može biti 20-30 nm ako budete imali sreće.

Intrinzično vrijeme odgovora materijala za Pockelsov učinak nalazi se u femtosekundnom režimu. Nitko nikada nije izgradio modulator dovoljno brz da vidi ovu granicu. Franz-Keldyshov efekt reagira slično brzo. Kada dobavljači citiraju "vrijeme odziva od 1 ps", oni govore o RC-ograničenom električnom prebacivanju, a ne o fundamentalnoj fizici.

 

 

Usklađivanje impedancije važnije je nego što mislite

Standardni RF sustavi posvuda pretpostavljaju 50Ω. Optički modulatori često predstavljaju reaktivna opterećenja koja variraju s frekvencijom - kristal se ponaša kao kondenzator s gubicima paralelno s bilo kojim otporom elektrode koji postoji.

Pokrenite visoko{0}}modulator visoke frekvencije s neusporedivim izvorom i vidjet ćete refleksije koje oštećuju pojačala, stojne valove koji stvaraju valove-ovisne o frekvenciji i učinkovitost isporuke energije koja pada točno kada vam je najpotrebnija.

Dizajn-putujućeg vala pomaže predstavljanjem raspodijeljene impedancije duž duljine elektrode. Završni otpornici apsorbiraju ono što se ne spaja s optičkim poljem. Ali postizanje pravog podudaranja od 50 Ω od DC do 100 GHz zahtijeva točnost simulacije koja gura komercijalne EM alate do njihovih granica.

Rezonantni modulatori imaju suprotan pristup - namjerno pogrešno usklađujući kako bi stvorili visoko-Q spremnik kruga koji pretvara niske ulazne napone u kilovoltna-polja ljestvice potrebna za puni Vπ zamah. Izvrsno radi na jednoj frekvenciji. Beskoristan za širokopojasne aplikacije.

 

Problem pomaka pristranosti nitko ne želi raspravljati

Primijenite istosmjerni napon na modulator litij niobata i pričekajte. Radna točka luta.

To se događa jer struktura uređaja nije čisto otporna - imate međuslojeve, titan-difuzna područja, nedopiranu podlogu, sve s različitim vodljivostima i dielektričnim konstantama. Naboj se redistribuira tijekom sati u dane, skrining primijenjenog polja i pomicanje prijenosne funkcije.

Ispravan dizajn modulatora minimizira pomak kroz pažljiv odabir materijala i kontrolu procesa izrade. Ali "minimizirati" ne znači "eliminirati". Svaka ozbiljna instalacija uključuje regulatore pristranosti koji prate optički izlaz i kontinuirano prilagođavaju napon kako bi održali željenu radnu točku.

Piroelektrični učinak dodaje još jedan sloj smetnje. Promjene temperature stvaraju spontanu polarizaciju koja iz perspektive kristala izgleda točno kao primijenjeni napon. Stavite svoj modulator blizu izvora topline i gledajte kako točka prednaprezanja pleše okolo.

 

Plazmonični modulatori postoje, ali ostaju egzotični

Visina zvuka zvuči uvjerljivo: ograničite i svjetlosna i RF polja na praznine u nanoskali koristeći površinske plazmonske modove, postižući učinkovitost modulacije nemoguću s fotonskim valovodima.

Nedavni rezultati pokazuju proizvode VπL ispod 0,1 V·cm s duljinama elektroda ispod 20 μm. Širina pojasa doseže i preko 100 GHz jer je sve tako malo da usklađivanje brzine postaje trivijalno.

Kvaka uključuje gubitak. Plazmonični načini disipiraju energiju u zagrijavanje metala. Uneseni gubici od 10-15 dB po uređaju otežavaju-proračune snage na razini sustava. A spajanje svjetla iz standardnih jednomodnih vlakana u plazmonične utore na nanomjernoj razini zahtijeva sužene strukture koje troše površinu čipa i dodaju vlastite gubitke.

Za posebne aplikacije gdje veličina i brzina nadmašuju učinkovitost, plazmonika ima smisla. Za telekom primopredajnike koji isporučuju milijune jedinica, tehnologija ostaje akademska.

 

Silicijska fotonika želi se natjecati

Modulatori za smanjenje{0}}nosioca u siliciju nude CMOS kompatibilnost i gustoću integracije koju litijev niobat ne može usporediti. Izradite svoj modulator zajedno s pogonskom elektronikom na istoj ploči koristeći procese koji se u ljevaonicama već izvode u velikom broju.

Performanse su se dramatično poboljšale - 50 GHz širine pojasa su rutinske, prikazan je rad od 85 Gbaud. Ali temeljni mehanizam oslanja se na apsorpciju slobodnog-nosioca i disperziju plazme, oba slaba efekta koji zahtijevaju dulje duljine interakcije ili rezonantno poboljšanje da bi se postigli razumni omjeri ekstinkcije.

Hibridni pristupi lijepljenja tankog{0}}slojnog LN-a na silicijske fotonske krugove pokušavaju iskoristiti prednosti iz oba svijeta. Dobivate učinkovitost modulacije litij niobata s gustoćom integracije silicija. Sukladno tome povećava se složenost proizvodnje.

 

Temperaturna osjetljivost jako varira

Litijev niobat pokazuje jake termo{0}}optičke koeficijente - oko 3,9×10⁻⁵ / stupanj za izvanredan indeks. Zamah od 10 stupnjeva pomiče vašu pristranost interferometra za otprilike četvrtinu valne duljine ako niste pažljivi.

Poluvodički modulatori suočavaju se sa sličnim problemima plus pomacima razmaka pojasa koji mijenjaju rubove apsorpcije.

Standardno rješenje uključuje atermalni dizajn (raspoređivanje staza valovoda tako da se temperaturno{0}}inducirani fazni pomaci otkazuju) ili aktivnu stabilizaciju temperature pomoću termoelektričnih hladnjaka. Nijedan pristup nije besplatan - atermalni dizajni troše površinu čipa dok TEC sustavi crpe energiju i dodaju načine kvara.

Su-uvedeni na terenu doživljavaju oscilacije temperature okoline koje laboratorijske demonstracije jednostavno zanemaruju. Ono što lijepo radi na 25 stupnjeva moglo bi postati neupotrebljivo na -40 stupnjeva ili +85 stupnjeva bez ozbiljnih inženjerskih napora.

 

Troškovi pakiranja dominiraju

Ovo se stalno zanemaruje.

Stvarni modulatorski čip mogao bi koštati nekoliko dolara. Pakiranje tog čipa s RF konektorima, fiber pigtails, fotodetektorima za praćenje prednaprezanja, toplinskim upravljanjem i hermetičkim brtvljenjem lako dodaje 500-2000 dolara na popis materijala.

Visoko{0}}frekventni rad otežava pakiranje jer je važna svaka induktivnost žičane veze i diskontinuitet konektora. 40 GHz uređaji zahtijevaju posebnu pozornost na kontinuitet ravni uzemljenja. 100 GHz uređaji zahtijevaju flip-svezivanje čipova ili usporedive tehnike koje dodaju korake procesa i smanjuju prinos.

Industrija je postala bolja u tome tijekom dva desetljeća, ali pakiranje ostaje razlog zašto komercijalni modulatori koštaju onoliko koliko rade.

 

Koliki je zapravo volumen isporuke

Unatoč svim uzbudljivim rezultatima istraživanja, veliko{0}}telekom tržište uglavnom koristi uređaje koji bi prije pet godina djelovali impresivno, a danas uobičajeni.

20-40 GHz litij niobat MZM dominiraju za 100G/400G koherentni prijenos. Silikonski fotonski modulatori pojavljuju se u interkonekcijama podatkovnih centara gdje je integracija s elektronikom važnija od sirove izvedbe. InP-temeljeni EAM-ovi integrirani s DFB-ovima služe aplikacijama kratkog dometa gdje cijena i veličina nadmašuju specifikacije performansi.

Najnovije -demonstracije 100+ GHz ostaju u laboratorijima ili malim-specijaliziranim aplikacijama. Za proizvodni učinak, kvalifikaciju pouzdanosti i smanjenje troškova potrebne su godine da sazriju.

 

Pouzdanost nije glamurozna, ali je bitna

Telekomunikacijski operateri očekuju radni vijek od 20 godina. To znači demonstrirati stabilnost pomaka kroz ubrzano starenje, dokazati da cjelovitost pričvršćivanja vlakana preživljava termalne cikluse i kvalificirati svako hermetičko brtvljenje protiv prodora vlage.

Uređaji s litij niobatom imaju desetljeća podataka o pouzdanosti koji podupiru njihovu upotrebu u podvodnim kabelima i zemaljskim glavnim vezama. Novije tehnologije suočavaju se sa strožim ispitivanjem jer načini kvarova još nisu u potpunosti karakterizirani.

Jedan problem koji se ponavlja uključuje degradaciju elektrode pri visokim razinama RF snage. Migracija metala, stvaranje oksida i mehaničko naprezanje uslijed toplinskog ciklusa postupno povećavaju uneseni gubitak i pomak Vπ. Ubrzanim testiranjem na povišenim temperaturama pokušava se predvidjeti ponašanje na kraju--života, ali korelacija između laboratorijskih rezultata i iskustva na terenu ostaje nesavršena.

 

Brojevi koji su važni

Prilikom ocjenjivanja modulatora za visoko-frekventne aplikacije, ove specifikacije zaslužuju pozornost:

3-dB elektro-optička širina pojasa - ne točka od -6 dB koja se ušulja u nekim podatkovnim tablicama. Specifikacija od 40 GHz pri -6 dB može pružiti samo 25 GHz pri -3 dB.

Vπ na vašoj radnoj frekvenciji, ne DC. Gubitak elektrode i neusklađenost brzine uzrokuju povećanje Vπ s frekvencijom u većini dizajna-valova koji putuju.

Insercijski gubitak uključujući spajanje vlakana. Brojevi-razina čipova izgledaju bolje od pakiranih brojeva uređaja, ponekad dramatično.

Omjer ekstinkcije pod modulacijom, nije statičan. Nesavršenosti RF pogona i ograničenja propusnosti smanjuju mogući kontrast na visokim frekvencijama.

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

Nitko ne mjeri sve što vam je potrebno pod vašim radnim uvjetima. Tumačenje podatkovnih tablica zahtijeva iskustvo prepoznavanja koji se brojevi prevode u vašu aplikaciju, a koji predstavljaju najbolji-scenarij koji nikada nećete postići.

 

Buduće smjernice koje bi mogle biti važne

Veća integracija nastavlja gurati tehnologiju modulatora prema fotonskim integriranim krugovima koji kombiniraju lasere, modulatore, pojačala i multipleksere na jednom čipu. Ovo smanjuje gubitke spajanja vlakana, eliminira sklapanje diskretnih komponenti i omogućuje funkcionalnost nemoguću s diskretnim uređajima.

Pomak prema višim brzinama prijenosa - 100+ Gbaud za koherentni 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-zapakirana optika koja postavlja fotoniku izravno na ASIC sklopke predstavlja još jednu granicu integracije. Električna sučelja postaju iznimno kratka, što potencijalno omogućuje veću propusnost uz manju snagu od trenutnih priključnih primopredajnika.

Hoće li neka određena tehnologija pobijediti ovisi manje o sirovim performansama nego o troškovima proizvodnje, zrelosti opskrbnog lanca i podršci ekosustava - čimbenicima koji se kreću sporije nego što to mogu sugerirati laboratorijski rezultati.

Modulator koji ćete postaviti sljedeće godine vjerojatno će izgledati dosta slično onome što je isporučeno prije tri godine, bez obzira na obećanja konferencijskih radova.