مدولاتورهای نوری برای سیگنال های فرکانس بالا مناسب هستند

 

کابوس تطبیق سرعت

در اینجا مواردی است که کتاب‌های درسی هنگام توصیف تعدیل‌کننده‌های سفر-موج Mach-Zehnder، نادیده می‌گیرند.

در لیتیوم نیوبات، شاخص مایکروویو در حدود 4.2 قرار دارد در حالی که شاخص نوری نزدیک به 2.2 است. این عدم تطابق به این معنی است که سیگنال‌های RF و امواج نور با سرعت‌های بسیار متفاوتی در ساختار الکترود شما منتشر می‌شوند. در فرکانس‌های پایین، هیچ کس اهمیت نمی‌دهد - طول تعامل به اندازه‌ای کوتاه باشد که فاصله فاز ناچیز باقی بماند. به رژیم گیگاهرتز فشار دهید و ناگهان مدولاتور با طراحی زیبا، پهنای باند را به نمایش می گذارد که باعث می شود اعداد صفحه داده مانند فانتزی به نظر برسند.

تعمیر شامل مهندسی دقیق الکترود است. شما لایه‌های بافر را ضخیم می‌کنید، شکاف‌ها را افزایش می‌دهید، ساختارهای بارگذاری خازنی را اضافه می‌کنید، اساساً هر چیزی برای کاهش سرعت مایکروویو در حالی که کارایی مدولاسیون شما در این فرآیند از بین نمی‌رود. نازک-لیتیوم نیوبات بازی را تا حدودی تغییر داد - محدود کردن نور به موجبرهای زیر-میکرون طبیعتاً شاخص نوری مؤثر را کاهش می‌دهد و تطابق سرعت را بدون انحراف دستگاه‌های حجیم سنتی در دسترس می‌آورد.

من سه ماه در سال 2019 را صرف اشکال‌زدایی یک طراحی مدولاتور 40 گیگاهرتز کردم که در آن پهنای باند شبیه‌سازی شده بسیار زیبا به نظر می‌رسید و پاسخ اندازه‌گیری شده بالای 25 گیگاهرتز بود. مشخص شد که مقصر یک اندوکتانس انگلی در صفحه زمین است که هیچ کس به درستی مدلسازی نکرده است. سه ماه.

 

چرا لیتیوم نیوبات هنوز برنده است (بیشتر)

علیرغم دهه‌ها توسعه فوتونیک نیمه‌رسانا، LiNbO3 همچنان انتخاب پیش‌فرض برای تعدیل‌کننده‌های{0} عملکرد بالا در پیوندهای فوتونیک مخابراتی و RF است. دلایل مرموز نیستند: ضریب r33 تقریباً 31 pm/V، شفافیت نوری از 350 نانومتر تا 5 میکرومتر، و زیرساخت ساخت بالغ که نتایج ثابتی را ارائه می‌دهد.

نازک-انقلاب فیلم - پیوند لایه‌های زیر-میکرون LN روی زیرلایه‌های سیلیکون یا نیترید سیلیکون - عملکردی را باز کرد که دستگاه‌های انبوه به سادگی نمی‌توانستند به آن دست یابند. نمایش های اخیر پهنای باند 3-دسی بل را به فراتر از 110 گیگاهرتز با محصولات ولتاژ{10}}در حدود 2.2 V·cm رسانده است. آن را با موجبرهای معمولی منتشر شده با تیتانیوم که به 5-6 V·cm نیاز دارند، مقایسه کنید و متوجه خواهید شد که چرا همه به طور ناگهانی در حدود سال 2018 به TFLN علاقه مند شدند.

اما مطالب دارای مسائلی است که فروشندگان در ادبیات بازاریابی بر آن تاکید نمی کنند.

 

آسیب انکساری نوری واقعی و آزاردهنده است

 

Z{0}}برش در مقابل X-برش: مبادله ابدی

جهت گیری کریستالی تعیین می کند که آیا مدولاتور شما صدای جیر جیر می دهد یا خیر.

Z{0}}دستگاه‌ها را برش می‌دهد که الکترودها را مستقیماً در بالا و زیر موجبر قرار دهند و همپوشانی میدان الکتریکی را با حالت نوری به حداکثر برسانند. شما Vπ کمتری دریافت می کنید، که به معنای قدرت کمتر درایو RF مورد نیاز برای عمق مدولاسیون کامل است. گیر شامل مدولاسیون فاز نامتقارن بین دو بازوی تداخل سنج است - وقتی شدت را پایین می آورید، به طور همزمان جابجایی فرکانس ناخواسته را بر سیگنال خود تحمیل می کنید.

پیکربندی های X{0}}برش الکترودها را در کنار موجبر در آرایش فشاری متقارن- قرار می دهند. هر دو بازو تغییر فاز برابر و مخالف را تجربه می کنند. صدای جیر جیر صفر مدولاسیون دامنه تمیز. اما همپوشانی میدان آسیب می‌بیند و Vπ را بالاتر می‌برد و تقویت‌کننده‌های RF قوی‌تر را می‌طلبد.

برای ارتباطات دیجیتالی که NRZ را با سرعت 10 گیگابیت بر ثانیه اجرا می‌کنند، صدای چیپ می‌تواند در واقع به - کمک کند که می‌تواند تا حدی پراکندگی رنگی در طول‌های فیبر خاص را جبران کند. برای پیوندهای فوتونیک RF آنالوگ که خطی بودن اهمیت دارد، برش X اجباری می شود.

 

جذب الکتریکی کارها را متفاوت انجام می دهد

EAMهای مبتنی بر نیمه هادی{0}}به جای تغییرات ضریب شکست، از تغییرات باند-جذب لبه استفاده می کنند. بایاس معکوس را در ساختار چاه کوانتومی اعمال کنید و لبه جذب از طریق تابع موج اکسایتون-اثر استارک محدود - کوانتومی به قرمز منتقل می‌شود، انرژی‌های اتصال کاهش می‌یابد و فوتون‌هایی که قبلاً منتقل می‌شدند جذب می‌شوند.

زیبایی این رویکرد: الزامات درایو زیر{0} ولت و سازگاری ذاتی با ادغام لیزر III-V. شما می توانید لیزر و مدولاتور DFB خود را بر روی یک تراشه InP مشابه بسازید و از بین رفتن تلفات اتصال فیبر و سردردهای هم ترازی را حذف کنید.

زشتی: حساسیت به طول موج که باعث می شود LiNbO3 در مقایسه با پهنای باند به نظر برسد. اگر لیزر شما حتی چند نانومتر رانده شود، نسبت انقراض EAM از بین می رود. کنترل دما غیرقابل مذاکره-می شود.

همچنین، جذب ذاتاً جریان نوری ایجاد می کند. در توان‌های نوری بالا، این جریان توزیع میدان الکتریکی را در چاه‌های کوانتومی تغییر می‌دهد و باعث می‌شود بازده مدولاسیون به روش‌هایی وابسته شود که طراحی پیوند را پیچیده می‌کند.

 

آنچه در واقع پهنای باند را محدود می کند

مردم چندین محدودیت پهنای باند متمایز را با هم ترکیب می کنند و این باعث سردرگمی می شود.

پهنای باند الکتریکی به ثابت‌های زمانی RC از ظرفیت اتصال و مقاومت الکترود، به‌علاوه اثرات موج سفر مانند عدم تطابق سرعت و از دست دادن امواج مایکروویو بستگی دارد. این عوامل معمولاً در دستگاه‌هایی که به خوبی طراحی شده- غالب هستند.

پهنای باند نوری - به این معنی که محدوده طول موجی که بازده مدولاسیون تقریباً ثابت می‌ماند - به پراکندگی مواد و طراحی موجبر بستگی دارد. برای دستگاه های لیتیوم نیوبات این معمولاً بسیار زیاد است و صدها نانومتر را در بر می گیرد. اگر خوش شانس باشید برای EAM ها ممکن است 20-30 نانومتر باشد.

زمان پاسخ ماده ذاتی برای اثر Pockels در رژیم فمتوثانیه قرار دارد. هیچ کس تا به حال یک مدولاتور آنقدر سریع ساخته نشده است که این محدودیت را ببیند. اثر فرانتس-کلدیش به همین سرعت پاسخ می‌دهد. هنگامی که فروشندگان "زمان پاسخ 1 ثانیه" را نقل قول می کنند، در مورد سوئیچینگ الکتریکی محدود RC صحبت می کنند، نه فیزیک اساسی.

 

 

تطبیق امپدانس بیش از آنچه فکر می کنید اهمیت دارد

سیستم های استاندارد RF در همه جا 50Ω را فرض می کنند. مدولاتورهای نوری اغلب بارهای واکنشی را ارائه می دهند که با فرکانس تغییر می کند - کریستال به موازات هر مقاومت الکترودی که وجود دارد به عنوان یک خازن با تلفات رفتار می کند.

یک مدولاتور فرکانس بالا-با منبعی بی همتا را هدایت کنید و انعکاس‌هایی را خواهید دید که به تقویت‌کننده‌ها آسیب می‌زنند، امواج ایستاده که امواج پاسخ وابسته به فرکانس{1}} ایجاد می‌کنند و راندمان تحویل انرژی که دقیقاً در زمانی که بیشتر به آن نیاز دارید کاهش می‌یابد.

طرح‌های موج سفر با ارائه امپدانس توزیع شده در طول الکترود کمک می‌کنند. مقاومت های پایانی آنچه را که با میدان نوری جفت نمی شود جذب می کنند. اما دستیابی به تطابق واقعی 50Ω از DC تا 100 گیگاهرتز نیازمند دقت شبیه‌سازی است که ابزارهای EM تجاری را به حد خود می‌رساند.

تعدیل‌کننده‌های تشدید رویکرد مخالف - عدم تطابق عمدی را برای ایجاد یک مدار مخزن-Q بالا که ولتاژهای ورودی پایین را به میدان‌های مقیاس کیلوولت- مورد نیاز برای نوسان کامل Vπ تبدیل می‌کند، اتخاذ می‌کنند. در یک فرکانس عالی کار می کند. برای کاربردهای پهنای باند بی فایده است.

 

مشکل انحراف سوگیری که کسی نمی‌خواهد در مورد آن بحث کند

ولتاژ DC را به مدولاتور لیتیوم نیوبات اعمال کنید و منتظر بمانید. نقطه عملیات سرگردان است.

این به این دلیل اتفاق می‌افتد که ساختار دستگاه صرفاً مقاومتی نیست - شما دارای لایه‌های بافر، نواحی پراکنده تیتانیوم-، زیرلایه‌ای روکش نشده، همه با رسانایی و ثابت‌های دی الکتریک متفاوت هستید. شارژ مجدداً در طی چند ساعت به روز توزیع می شود، میدان اعمال شده را غربال می کند و عملکرد انتقال را تغییر می دهد.

طرح‌های مدولاتور مناسب، انحراف را از طریق انتخاب دقیق مواد و کنترل فرآیند ساخت به حداقل می‌رساند. اما «به حداقل رساندن» به معنای «حذف» نیست. هر نصب جدی شامل کنترل‌کننده‌های بایاس است که خروجی نوری را نظارت می‌کنند و به طور مداوم ولتاژ را برای حفظ نقطه عملیاتی مورد نظر تنظیم می‌کنند.

اثر پیرالکتریک لایه دیگری از آزار را اضافه می کند. تغییرات دما باعث ایجاد پلاریزاسیون خود به خودی می شود که از منظر کریستال دقیقاً شبیه ولتاژ اعمال شده به نظر می رسد. مدولاتور خود را نزدیک یک منبع گرما قرار دهید و به رقص نقطه بایاس در اطراف نگاه کنید.

 

تعدیل کننده های پلاسمونیک وجود دارند اما عجیب و غریب باقی می مانند

زیر و بمی صدا قانع کننده است: هر دو میدان نور و RF را با استفاده از حالت های پلاسمون سطحی به شکاف های نانومقیاس محدود کنید، دستیابی به کارایی مدولاسیون با موجبرهای فوتونیک غیرممکن است.

نتایج اخیر محصولات VπL را زیر 0.1 V · cm با طول الکترود کمتر از 20 میکرومتر نشان می دهد. پهنای باند بسیار فراتر از 100 گیگاهرتز می رسد، زیرا همه چیز به قدری کوچک است که تطبیق سرعت بی اهمیت می شود.

گرفتن شامل ضرر است. حالت‌های پلاسمونیک انرژی را در گرمایش فلز هدر می‌دهند. تلفات درج 10-15 دسی بل در هر دستگاه، بودجه سطح انرژی سیستم را دشوار می کند. و اتصال نور از الیاف استاندارد تک حالته به شکاف های پلاسمونیک در مقیاس نانو به ساختارهای مخروطی نیاز دارد که سطح تراشه را مصرف کرده و تلفات خود را اضافه می کند.

برای کاربردهای خاص که در آن اندازه و سرعت راندمان برتری دارند، پلاسمونیک منطقی است. برای فرستنده‌های مخابراتی که میلیون‌ها واحد را حمل می‌کنند، این فناوری همچنان آکادمیک است.

 

سیلیکون فوتونیک می خواهد رقابت کند

تعدیل‌کننده‌های تخلیه حامل در سیلیکون سازگاری با CMOS و چگالی یکپارچه‌سازی را ارائه می‌دهند که نیوبات لیتیوم نمی‌تواند مطابقت داشته باشد. مدولاتور خود را در کنار وسایل الکترونیکی راننده روی همان ویفر با استفاده از فرآیندهایی که کارخانه‌های ریخته‌گری قبلاً در مقیاس اجرا می‌کردند بسازید.

عملکرد به طور چشمگیری بهبود یافته است، پهنای باند - 50 گیگاهرتز معمول است، عملیات 85 گیگاباد نشان داده شده است. اما مکانیسم زیربنایی متکی بر جذب حامل آزاد-و پراکندگی پلاسما است، هر دو اثر ضعیفی که برای دستیابی به نسبت‌های انقراض معقول به طول‌های برهمکنش طولانی‌تر یا افزایش تشدید نیاز دارند.

رویکردهای ترکیبی پیوند نازک-LN روی مدارهای فوتونیک سیلیکونی تلاش می‌کنند تا از مزایای هر دو جهان بهره ببرند. شما بازده مدولاسیون لیتیوم نیوبات را با چگالی یکپارچه سازی سیلیکون دریافت می کنید. پیچیدگی ساخت به همین ترتیب افزایش می یابد.

 

حساسیت دما به شدت متفاوت است

لیتیوم نیوبات دارای ضرایب حرارتی-نوری قوی - در حدود 3.9×10-5 / درجه برای شاخص فوق‌العاده است. اگر مراقب نباشید، یک نوسان 10 درجه ای بایاس تداخل سنج شما را تقریباً یک چهارم طول موج تغییر می دهد.

تعدیل‌کننده‌های نیمه‌رسانا با مشکلات مشابه به‌علاوه جابه‌جایی باند گپ که لبه‌های جذب را تغییر می‌دهد، مواجه هستند.

راه حل استاندارد شامل طراحی حرارتی (ترتیب مسیرهای موجبر به گونه‌ای که تغییر فازهای ناشی از دما{0} لغو شود) یا تثبیت دمای فعال با استفاده از خنک‌کننده‌های ترموالکتریک است. هیچ‌کدام از این روش‌ها رایگان نیستند - طرح‌های حرارتی منطقه تراشه را مصرف می‌کنند در حالی که سیستم‌های TEC نیرو می‌گیرند و حالت‌های خرابی را اضافه می‌کنند.

سیستم‌های مستقر در میدان{0}}تغییرات دمای محیط را تجربه می‌کنند که نمایش‌های آزمایشگاهی به راحتی نادیده می‌گیرند. آنچه در 25 درجه به زیبایی کار می کند ممکن است در -40 درجه یا +85 درجه بدون تلاش جدی مهندسی غیرقابل استفاده شود.

 

هزینه های بسته بندی غالب است

این دائما نادیده گرفته می شود.

تراشه تعدیل کننده واقعی ممکن است چند دلار قیمت داشته باشد. بسته بندی این تراشه با اتصالات RF، پیگتیل های فیبر، آشکارسازهای نوری نظارت بر تعصب، مدیریت حرارتی، و آب بندی هرمتیک به راحتی 500 تا 2000 دلار به صورتحساب مواد اضافه می کند.

عملکرد با فرکانس بالا بسته‌بندی را سخت‌تر می‌کند زیرا هر اندوکتانس سیم و ناپیوستگی کانکتور اهمیت دارد. 40 دستگاه‌های گیگاهرتز نیازمند توجه دقیق به تداوم سطح زمین هستند. 100 دستگاه‌های گیگاهرتز نیازمند تلنگر-پیوند تراشه یا تکنیک‌های قابل مقایسه هستند که مراحل فرآیند را اضافه می‌کنند و بازده را کاهش می‌دهند.

صنعت طی دو دهه در این زمینه بهتر شده است، اما بسته‌بندی همچنان دلیلی است که تعدیل‌کننده‌های تجاری هزینه‌هایی را که انجام می‌دهند، هزینه می‌کنند.

 

آنچه در واقع در حجم حمل و نقل است

علی‌رغم تمام نتایج تحقیقات هیجان‌انگیز، بازار-تلفن مخابراتی با حجم بالا، بیشتر از دستگاه‌هایی استفاده می‌کند که پنج سال پیش و امروز عادی به نظر می‌رسیدند.

20-MZM لیتیوم نیوبات 40 گیگاهرتز برای انتقال منسجم 100G/400G غالب است. مدولاتورهای فوتونیک سیلیکونی در اتصالات مرکز داده ظاهر می شوند که در آن ادغام با الکترونیک بیشتر از عملکرد خام اهمیت دارد. EAMهای مبتنی بر{6}}InP که با DFBها یکپارچه شده‌اند، برنامه‌های کاربردی کوتاه‌دستی را ارائه می‌کنند که در آن هزینه و اندازه بر مشخصات عملکرد برتری دارد.

تظاهرات-لبه 100+ گیگاهرتز خونریزی در آزمایشگاه‌ها یا برنامه‌های تخصصی با حجم کوچک باقی می‌ماند. بازده تولید، صلاحیت قابلیت اطمینان و کاهش هزینه سال ها طول می کشد تا به بلوغ برسد.

 

قابلیت اطمینان جذاب نیست اما ضروری است

اپراتورهای مخابراتی انتظار دارند 20 سال عمر میدانی داشته باشند. این به معنای نشان دادن پایداری دریفت سوگیری از طریق پیری سریع، اثبات یکپارچگی اتصال فیبر در چرخه حرارتی، و واجد شرایط بودن هر مهر و موم هرمتیک در برابر نفوذ رطوبت است.

دستگاه های لیتیوم نیوبات دارای چندین دهه داده قابل اعتماد هستند که از استفاده آنها در کابل های زیردریایی و پیوندهای ستون فقرات زمینی پشتیبانی می کند. فناوری‌های جدیدتر با بررسی دقیق‌تری مواجه هستند، زیرا حالت‌های خرابی هنوز به طور کامل مشخص نشده‌اند.

یکی از مسائل تکرارشونده شامل تخریب الکترود در سطوح توان RF بالا است. مهاجرت فلز، تشکیل اکسید و تنش مکانیکی ناشی از چرخه حرارتی به تدریج باعث افزایش تلفات درج و تغییر Vπ می شود. آزمایش تسریع شده در دماهای بالا سعی می‌کند تا رفتار پایان زندگی را پیش‌بینی کند، اما همبستگی بین نتایج آزمایشگاهی و تجربه میدانی ناقص است.

 

اعدادی که اهمیت دارند

هنگام ارزیابی یک مدولاتور برای برنامه های کاربردی با فرکانس بالا، این مشخصات شایسته توجه است:

پهنای باند نوری 3-دسی بل الکترو- - نه نقطه -6 دسی بل که برخی از صفحات داده به صورت مخفیانه وارد می شوند. مشخصات 40 گیگاهرتز در -6 دسی بل ممکن است فقط 25 گیگاهرتز در -3 دسی بل ارائه دهد.

Vπ در فرکانس کاری شما، نه DC. از دست دادن الکترود و عدم تطابق سرعت باعث می شود Vπ با فرکانس در اکثر طرح های موج سفر افزایش یابد.

از دست دادن درج شامل اتصال فیبر. اعداد سطح{1} تراشه بهتر از شماره‌های دستگاه بسته‌بندی شده به نظر می‌رسند، گاهی اوقات به طرز چشمگیری.

نسبت انقراض تحت مدولاسیون، نه ایستا. نقص درایو RF و محدودیت های پهنای باند، کنتراست قابل دستیابی را در فرکانس های بالا کاهش می دهد.

ضرر برگشتی یا S11 برای مشخص کردن کیفیت تطابق امپدانس. از دست دادن بازگشت ضعیف نشان دهنده انعکاس هایی است که باعث ایجاد مشکل در زنجیره RF شما می شود.

هیچ کس همه چیزهایی را که شما نیاز دارید را دقیقاً تحت شرایط کاری شما اندازه نمی گیرد. تفسیر برگه های داده نیاز به تجربه دارد که تشخیص دهد کدام اعداد به برنامه شما ترجمه می شوند و کدام بهترین سناریوهای موردی را نشان می دهد که هرگز به آن نخواهید رسید.

 

مسیرهای آینده که ممکن است واقعا مهم باشند

ادغام بالاتر، فناوری مدولاتور را به سمت مدارهای مجتمع فوتونیک با ترکیب لیزرها، مدولاتورها، تقویت کننده ها و مالتی پلکسرها بر روی تراشه های منفرد ادامه می دهد. این امر تلفات اتصال فیبر را کاهش می‌دهد، مونتاژ اجزای گسسته را حذف می‌کند و عملکرد را با دستگاه‌های گسسته غیرممکن می‌سازد.

حرکت به سمت نرخ باود بالاتر - 100+ Gbaud برای انتقال منسجم - به پهنای باند مدولاتوری نیاز دارد که محصولات تجاری فعلی به سختی به آن دست می یابند. به نظر می‌رسد دستگاه‌های TFLN برای پاسخگویی به این نیاز در صورت موفقیت‌آمیز ساختن ترازو، موقعیت مناسبی دارند.

اپتیک‌های بسته‌بندی شده شرکت که فوتونیک را مستقیماً روی ASIC سوئیچ قرار می‌دهد، مرز یکپارچه‌سازی دیگری را نشان می‌دهد. رابط های الکتریکی بسیار کوتاه می شوند و به طور بالقوه پهنای باند بالاتر با توان کمتر را نسبت به فرستنده گیرنده های قابل اتصال فعلی ممکن می سازند.

اینکه هر فناوری خاصی برنده شود، کمتر به عملکرد خام بستگی دارد تا به هزینه تولید، بلوغ زنجیره تامین، و عوامل - پشتیبانی اکوسیستم که کندتر از نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهند.

تعدیل‌کننده‌ای که در سال آینده به کار می‌گیرید، بدون توجه به آنچه که مقالات کنفرانس وعده داده‌اند، احتمالاً کاملاً شبیه به آنچه سه سال پیش ارسال شده است، خواهد بود.