Optilised modulaatorid sobivad kõrgsageduslike signaalide jaoks

 

Kiiruse sobitamine õudusunenägu

Siin on see, mida õpikud ei jäta, kui kirjeldavad Zehnderi-wave Mach-modulaatoreid.

Liitiumniobaadi puhul on mikrolaineindeks umbes 4,2, optiline indeks aga 2,2 lähedal. See mittevastavus tähendab, et RF-signaalid ja valguslained levivad läbi teie elektroodi struktuuri metsikult erineva kiirusega. Madalatel sagedustel ei huvita kedagi, - interaktsiooni pikkus on piisavalt lühike, et faasist eemaldumine jääb tühiseks. Lükake gigahertsi režiimile ja järsku kuvab teie kaunilt kujundatud modulaator ribalaiuse tõusu, mis muudab andmelehe numbrid fantaasiaks.

Parandus hõlmab elektroodide keerukat projekteerimist. Te paksendate puhverkihte, suurendate lünki, lisate mahtuvuslikke laadimisstruktuure, põhimõtteliselt kõike, et aeglustada mikrolaineahju, samal ajal mitte hävitades oma modulatsiooni efektiivsust protsessis. Õhuke-kile liitiumniobaat muutis mängu mõnevõrra -, piirates valgust sub-mikroniliste lainejuhtidega, vähendab loomulikult efektiivset optilist indeksit ja toob kiiruse sobitamise käeulatusse ilma moonutusteta, mida nõuavad traditsioonilised hulgiseadmed.

2019. aastal veetsin kolm kuud siludes 40 GHz modulaatori disaini, mille simuleeritud ribalaius nägi välja suurepärane ja mõõdetud vastus ulatus üle 25 GHz. Süüdlaseks osutus parasiitne induktiivsus alusplaadis, mida keegi polnud korralikult modelleerinud. Kolm kuud.

 

Miks liitiumniobaat ikkagi võidab (enamasti)

Hoolimata aastakümnete pikkusest pooljuhtide fotoonika arendamisest, jääb LiNbO₃ suure jõudlusega{0}}modulaatorite vaikevalikuks telekommunikatsiooni- ja raadiosageduslike fotooniliste linkide jaoks. Põhjused pole salapärased: r₃₃ koefitsient ligikaudu 31 pm/V, optiline läbipaistvus vahemikus 350 nm kuni 5 μm ja väljakujunenud tootmisinfrastruktuur, mis annab ühtlaseid tulemusi.

Õhukese-kile revolutsioon -, mis ühendas alam-mikronilised LN-kihid räni- või räninitriidsubstraatidele -, avas jõudluse, mida hulgiseadmed lihtsalt ei suutnud saavutada. Hiljutised demonstratsioonid on suurendanud 3-dB ribalaiust üle 110 GHz, kusjuures pinge{10}}pikkus on umbes 2,2 V·cm. Võrrelge seda tavapäraste titaanist eraldatud lainejuhtidega, mis nõuavad 5–6 V·cm, ja saate aru, miks kõik hakkasid 2018. aasta paiku TFLN-i vastu järsku huvi tundma.

Kuid materjalil on probleeme, mida müüjad turunduskirjanduses ei rõhuta.

 

Fotorefraktsioonikahjustus on tõeline ja tüütu

 

Z-lõik versus X-lõik: igavene kompromiss

Kristallide orientatsioon määrab, kas teie modulaator piiksub.

Z-lõikavad seadmed elektroodid otse lainejuhi kohale ja alla, maksimeerides elektrivälja kattumist optilise režiimiga. Saate madalama Vπ-i, mis tähendab, et täieliku modulatsioonisügavuse jaoks on vaja vähem RF-draivi võimsust. Katkestus hõlmab asümmeetrilist faasimodulatsiooni kahe interferomeetri haru vahel -, kui vajutate intensiivsust allapoole, tekitate samaaegselt oma signaalile soovimatud sagedusnihked.

X-lõigatud konfiguratsioonid asetavad elektroodid lainejuhi kõrvale sümmeetrilises tõuke-tõmbekorralduses. Mõlemad käed kogevad võrdseid ja vastupidiseid faasinihkeid. Null piiksumist. Puhas amplituudmodulatsioon. Kuid väljade kattumine kannatab, tõstes Vπ kõrgemale ja nõudes võimsamaid RF-võimendeid.

Digitaalse side puhul, mis töötab NRZ-ga kiirusel 10 Gb/s, võib chirp tegelikult aidata -, see võib osaliselt kompenseerida kromaatilist hajumist teatud kiu pikkuste ulatuses. Analoog-RF fotooniliste linkide puhul, kus lineaarsus on oluline, muutub X-lõikus kohustuslikuks.

 

Elektroabsorptsioon teeb asju erinevalt

Pooljuhtide{0}}põhised EAM-id kasutavad murdumisnäitaja muutuste asemel pigem riba-serva neeldumist. Rakendage kvantkaevu struktuurile vastupidine nihe ja neeldumisserv nihkub kvant{3}}piiratud Starki efekti - eksitoni lainefunktsioonide kaudu, sidumisenergia väheneb ja varem edastatud footonid nüüd neelduvad.

Selle lähenemisviisi ilu: alam-voldiajami nõuded ja sisemine ühilduvus III-V laserintegratsiooniga. Saate valmistada oma DFB laseri ja modulaatori samale InP-kiibile, välistades kiudude sidestuskaod ja joonduspeavalu.

Inetus: lainepikkuse tundlikkus, mis muudab LiNbO₃ võrdluseks lairiba. EAM-i väljasuremissuhted kukuvad kokku, kui teie laser triivib isegi paar nanomeetrit. Temperatuuri reguleerimine muutub mitte-läbirääkimiseks.

Samuti tekitab neeldumine oma olemuselt fotovoolu. Suure optilise võimsuse korral muudab see vool elektrivälja jaotust kvantkaevude vahel, mistõttu modulatsiooni efektiivsus muutub võimsusest sõltuvaks viisil, mis muudab lingi kujundamise keerulisemaks.

 

Mis tegelikult ribalaiust piirab

Inimesed segavad mitu erinevat ribalaiuse piirangut ja see tekitab segadust.

Elektriline ribalaius sõltub RC ajakonstanditest, mis tulenevad ristmiku mahtuvusest ja elektroodide takistusest, ning liikuva{0}}laine efektidest, nagu kiiruse mittevastavus ja mikrolaine kadu. Need tegurid domineerivad tavaliselt hästi-konstrueeritud seadmetes.

Optiline ribalaius -, mis tähendab lainepikkuse vahemikku, milles modulatsiooni efektiivsus jääb ligikaudu konstantseks -, sõltub materjali hajutusest ja lainejuhi konstruktsioonist. Liitiumniobaatseadmete puhul on see tavaliselt tohutu, ulatudes sadade nanomeetriteni. EAM-ide puhul võib see õnne korral olla 20–30 nm.

Pockelsi efekti sisemine materjali reaktsiooniaeg on femtosekundi režiimis. Keegi pole kunagi ehitanud modulaatorit piisavalt kiiresti, et seda piiri näha. Franz-Keldyshi efekt reageerib sama kiiresti. Kui müüjad tsiteerivad "1 ps reaktsiooniaega", räägivad nad RC-piiratud elektrilülitustest, mitte põhifüüsikast.

 

 

Takistuse sobitamine on olulisem, kui arvate

Standardsed raadiosagedussüsteemid eeldavad kõikjal 50Ω. Optilised modulaatorid tekitavad sageli reaktiivkoormust, mis varieerub sõltuvalt sagedusest -, kristall käitub kadudega kondensaatorina paralleelselt mis tahes elektroodi takistusega.

Juhtige võrreldamatu allikaga{0}}kõrgsagedusmodulaatorit ja näete peegeldusi, mis kahjustavad võimendeid, seisulaineid, mis tekitavad sagedusest-sõltuvaid vastuse pulsatsioone, ja toiteedastuse tõhusust, mis langeb täpselt siis, kui seda kõige rohkem vajate.

Rändavad{0}}lainekujundused aitavad jaotatud impedantsi piki elektroodi pikkust. Lõpptakistid neelavad seda, mis optilise väljaga ei haaku. Kuid tõelise 50 Ω vaste saavutamiseks alalisvoolust kuni 100 GHz sageduseni on vaja simulatsiooni täpsust, mis viib kaubanduslikud EM-tööriistad oma piiridesse.

Resonantsmodulaatorid kasutavad vastupidist lähenemisviisi - tahtlikult sobimatud, et luua kõrge-Q paagi vooluring, mis muundab madalad sisendpinged kilovoldi-skaala väljadeks, mis on vajalikud täielikuks Vπ kõikumiseks. Töötab suurepäraselt ühel sagedusel. Lairibarakenduste jaoks kasutu.

 

Mitte keegi ei taha arutada eelarvamuste triivimise probleemi

Ühendage liitiumniobaatmodulaatoriga alalispinge ja oodake. Tööpunkt uitab.

Selle põhjuseks on asjaolu, et seadme struktuur ei ole puhtalt takistuslik - teil on puhverkihid, titaanist-hajutatud piirkonnad, legeerimata substraat, millel kõigil on erinev juhtivus ja dielektrilised konstandid. Laeng jaotub ümber tundide ja päevade vahel, sõeludes rakendatud välja ja nihutades ülekandefunktsiooni.

Õiged modulaatorid minimeerivad triivi tänu hoolikale materjalivalikule ja tootmisprotsessi juhtimisele. Kuid "minimeerima" ei tähenda "elimineerima". Iga tõsine paigaldus sisaldab nihkekontrollereid, mis jälgivad optilist väljundit ja reguleerivad pidevalt pinget soovitud tööpunkti säilitamiseks.

Püroelektriline efekt lisab veel ühe tüütusekihi. Temperatuurimuutused tekitavad spontaanse polarisatsiooni, mis näeb kristalli vaatenurgast välja täpselt nagu rakendatud pinge. Asetage modulaator soojusallika lähedusse ja vaadake, kuidas kaldepunkt ringi tantsib.

 

Plasmoonilised modulaatorid on olemas, kuid jäävad eksootilisteks

Kõrgus kõlab veenvalt: piirake nii valgus- kui ka RF-väljad nanomõõtmeliste tühikutega, kasutades pinnaplasmonrežiime, saavutades fotooniliste lainejuhtidega võimatu modulatsioonitõhususe.

Hiljutised tulemused näitavad, et VπL tooted on alla 0,1 V·cm ja elektroodid on alla 20 μm. Ribalaius ulatub tunduvalt üle 100 GHz, sest kõik on nii väike, et kiiruse sobitamine muutub triviaalseks.

Saagiga kaasneb kaotus. Plasmoonilised režiimid hajutavad energiat metalli kuumutamiseks. Sisestuskaod 10-15 dB seadme kohta muudavad süsteemi-taseme võimsuseelarved keeruliseks. Ja tavaliste ühemoodiliste kiudude valguse ühendamine nanomõõtmeliste plasmoonsete piludega nõuab kitsenevaid struktuure, mis tarbivad kiibi pindala ja lisavad oma kadusid.

Niširakenduste jaoks, kus suurus ja kiirus ületavad tõhususe, on plasmoonika mõttekas. Miljoneid ühikuid tarnivate telekommunikatsioonitransiiverite puhul jääb tehnoloogia akadeemiliseks.

 

Ränifotoonika tahab võistelda

Räni kandja-kahanemise modulaatorid pakuvad CMOS-i ühilduvust ja integratsioonitihedust, mida liitiumniobaat ei suuda võrrelda. Valmistage oma modulaator koos draiveri elektroonikaga samal plaadil, kasutades protsesse, mida valukojad juba suures mahus töötavad.

Jõudlus on dramaatiliselt paranenud - 50 GHz ribalaiused on rutiinsed, demonstreeritud on 85 Gbaud toiming. Kuid selle aluseks olev mehhanism tugineb vaba-kandja neeldumisele ja plasma dispersioonile – mõlemad nõrgad mõjud, mis nõuavad pikemat interaktsiooni pikkust või resonantsi võimendust, et saavutada mõistlikud ekstinktsioonisuhted.

Hübriidmeetodid, mis ühendavad õhukese{0}}kile LN ränifotoonahelatele, püüavad tabada mõlema maailma eeliseid. Liitiumniobaadi modulatsioonitõhususe saate räni integratsioonitihedusega. Tootmise keerukus suureneb vastavalt.

 

Temperatuuritundlikkus on metsikult erinev

Liitiumniobaadil on erakordse indeksi jaoks tugevad termo{0}}optilised koefitsiendid - ligikaudu 3,9 × 10⁻⁵ kraadi kohta. Kui te ei ole ettevaatlik, nihutab 10-kraadine kõikumine teie interferomeetri kallutatust ligikaudu veerandi lainepikkuse võrra.

Pooljuhtmodulaatorid seisavad silmitsi sarnaste probleemidega ja ribalaiuse nihkega, mis muudavad neeldumise servi.

Standardlahendus hõlmab termilist disaini (lainejuhi radade korraldamist nii, et temperatuuri-indutseeritud faasinihked tühistatakse) või aktiivset temperatuuri stabiliseerimist termoelektriliste jahutite abil. Kumbki lähenemisviis pole tasuta - atermaalsed konstruktsioonid tarbivad kiibi pinda, samas kui TEC-süsteemid võtavad energiat ja lisavad rikkerežiime.

Väli{0}}kasutatud süsteemid kogevad ümbritseva õhu temperatuuri kõikumisi, mida laboridemonstratsioonid mugavalt ignoreerivad. Mis töötab ilusti 25 kraadi juures, võib ilma tõsise inseneritööta muutuda -40 kraadi või +85 kraadi juures kasutuskõlbmatuks.

 

Domineerivad pakkimiskulud

See jääb pidevalt tähelepanuta.

Tegeliku modulaatori kiibi maht võib maksta paar dollarit. Selle kiibi pakkimine RF-pistikute, kiudpatsidega, kallutatuse jälgimise fotodetektorite, soojusjuhtimise ja hermeetilise tihendiga lisab materjalide arvele hõlpsalt 500–2000 dollarit.

Kõrge-sagedusega töötamine muudab pakendamise raskemaks, kuna iga juhtmeühenduse induktiivsus ja pistiku katkestused on olulised. 40 GHz seadmed nõuavad hoolikat tähelepanu maapinna järjepidevusele. 100 GHz seadmed nõuavad flip-kiibi sidumist või võrreldavaid tehnikaid, mis lisavad protsessi etappe ja vähendavad tootlikkust.

Tööstus on kahe aastakümne jooksul selles osas paremaks muutunud, kuid pakend on endiselt põhjus, miks kaubanduslikud modulaatorid maksavad seda, mida nad teevad.

 

Mis on tegelikult tarne maht

Hoolimata kõigist põnevatest uurimistulemustest, kasutatakse suurel{0}}telekomiturul enamasti seadmeid, mis tundusid viis aastat tagasi muljetavaldavad ja tänapäeval tavalised.

20-40 GHz liitiumniobaat-MZM-id domineerivad 100G/400G koherentse edastuse puhul. Ränist fotoonmodulaatorid ilmuvad andmekeskuste ühendustesse, kus integreerimine elektroonikaga on olulisem kui töötlemata jõudlus. DFB-dega integreeritud InP-põhised EAM-id teenindavad lühikese ulatusega rakendusi, kus kulu ja suurus ületavad jõudlusspetsifikatsioone.

Verejooksu -serva 100+ GHz demonstratsioonid jäävad laboritesse või väikesemahulistes -erirakendustes. Tootmise tootlikkuse, töökindluse kvalifikatsiooni ja kulude vähendamise küpsemine võtab aastaid.

 

Usaldusväärsus ei ole glamuurne, kuid see on hädavajalik

Telekommunikatsioonioperaatorid eeldavad 20-aastast kasutusiga. See tähendab, et kiirendatud vananemise kaudu tuleb demonstreerida kallutatuse triivi stabiilsust, tõestada, et kiudude kinnituse terviklikkus säilib termilise tsükli jooksul, ja iga hermeetilise tihendi kvalifitseerimist niiskuse sissepääsu vastu.

Liitiumniobaatseadmetel on aastakümnete pikkused usaldusväärsuse andmed, mis toetavad nende kasutamist merealustes kaablites ja maapealsetes magistraalühendustes. Uuemad tehnoloogiad seisavad silmitsi raskema kontrolliga, kuna rikkerežiime pole veel täielikult iseloomustatud.

Üks korduv probleem on elektroodide lagunemine kõrgel raadiosageduslikul võimsusel. Metalli migratsioon, oksiidide moodustumine ja termilise tsükli mehaaniline pinge suurendavad järk-järgult sisestuskadu ja nihkuvad Vπ. Kiirendatud katsetamine kõrgel temperatuuril püüab ennustada käitumist -elu lõpul-, kuid korrelatsioon laboritulemuste ja välikogemuse vahel jääb ebatäiuslikuks.

 

Numbrid, mis on olulised

Modulaatori hindamisel kõrgsageduslike{0}}rakenduste jaoks väärivad tähelepanu järgmised spetsifikatsioonid:

3-dB elektro-optiline ribalaius – mitte -6 dB punkt, mida mõned andmelehed sisse hiilivad. 40 GHz spetsifikatsioon -6 dB juures võib pakkuda ainult 25 GHz sagedust -3 dB juures.

Vπ teie töösagedusel, mitte alalisvoolul. Elektroodide kadu ja kiiruse mittevastavus põhjustavad Vπ sageduse suurenemist enamikus liikuvate{1}}lainete puhul.

Sisestamiskadu, sealhulgas kiudude sidumine. Kiibi-taseme numbrid näevad paremad välja kui pakitud seadmete numbrid, mõnikord isegi väga.

Ekstinktsioonisuhe modulatsiooni all, mitte staatiline. RF-draivi puudused ja ribalaiuse piirangud vähendavad saavutatavat kontrastsust kõrgetel sagedustel.

Tagastuskadu või S11, et iseloomustada impedantsi sobivuse kvaliteeti. Kehv tagastuskadu näitab peegeldusi, mis põhjustavad probleeme teie RF-ahelas.

Keegi ei mõõda kõike, mida vajate täpselt teie töötingimustes. Andmelehtede tõlgendamine nõuab kogemust, et tuvastada, millised arvud teie rakendusele vastavad ja millised on parimad-juhtumi stsenaariumid, mida te kunagi ei saavuta.

 

Tulevikusuunad, mis võivad tegelikult olla olulised

Suurem integratsioon jätkab modulaatoritehnoloogia suunamist fotooniliste integraallülituste poole, mis ühendavad lasereid, modulaatoreid, võimendeid ja multipleksereid ühel kiibil. See vähendab kiudude sidumise kadusid, välistab diskreetsete komponentide kokkupaneku ja võimaldab diskreetsete seadmetega võimatuks töötada.

Liikumine suuremate andmeedastuskiiruste - 100+ Gbaud koherentseks edastamiseks - suunas nõuab modulaatori ribalaiusi, mida praegused kaubanduslikud tooted vaevalt saavutavad. Tundub, et TFLN-seadmed vastavad sellele vajadusele, kui tootmisskaala õnnestub.

Kaas{0}}pakendatud optika, mis asetab fotoonika otse lüliti ASIC-idele, esindab teist integratsiooni piiri. Elektriliidesed muutuvad äärmiselt lühikeseks, võimaldades potentsiaalselt suuremat ribalaiust väiksema võimsusega kui praegused ühendatavad transiiverid.

See, kas mõni konkreetne tehnoloogia võidab, sõltub vähem toorest jõudlusest, kui tootmiskuludest, tarneahela küpsusest ja ökosüsteemi toest - teguritest, mis liiguvad aeglasemalt, kui laboritulemused näitavad.

Järgmisel aastal kasutuselevõetav modulaator näeb tõenäoliselt üsna sarnane välja kolm aastat tagasi tarnituga, hoolimata sellest, mida konverentsi paberid lubavad.