Optiset modulaattorit sopivat korkeataajuisille signaaleille

 

Nopeutta vastaava painajainen

Oppikirjoissa käsitellään näitä asioita, kun kuvataan matkustavia-wave Mach-Zehnder-modulaattoreita.

Litiumniobaatissa mikroaaltoindeksi on noin 4,2, kun taas optinen indeksi leijuu lähellä 2,2:ta. Tämä ristiriita tarkoittaa, että RF-signaalit ja valoaallot etenevät villisti eri nopeuksilla elektrodirakenteen läpi. Matalilla taajuuksilla kukaan ei välitä - vuorovaikutuspituus on tarpeeksi lyhyt, jotta vaiheen poistuminen jää merkityksettömäksi. Työnnä gigahertsijärjestelmään, ja yhtäkkiä kauniisti suunniteltu modulaattorisi näyttää kaistanleveyden lisäyksen, mikä saa tietolehtinumerot näyttämään fantasialta.

Korjaus edellyttää monimutkaista elektrodisuunnittelua. Pakennat puskurikerroksia, levennät rakoja, lisäät kapasitiivisia latausrakenteita, periaatteessa mitä tahansa mikroaaltouunin hidastamiseksi, mutta et tuhoa modulaatiotehokkuuttasi prosessissa. Ohut-kalvo litiumniobaatti muutti peliä jonkin verran - valon rajoittaminen sub-mikronisiin aaltoputkiin luonnollisesti vähentää tehollista optista indeksiä ja tuo nopeuden täsmäytyksen ulottuville ilman perinteisten bulkkilaitteiden vaatimia vääntymiä.

Vietin kolme kuukautta vuonna 2019 virheenkorjauksessa 40 GHz:n modulaattorisuunnittelussa, jossa simuloitu kaistanleveys näytti upealta ja mitattu vaste kraatteri yli 25 GHz. Syyllinen paljastui maatason loisinduktanssiksi, jota kukaan ei ollut mallintanut kunnolla. Kolme kuukautta.

 

Miksi litiumniobaatti voittaa edelleen (enimmäkseen)

Huolimatta vuosikymmeniä jatkuneesta puolijohdefotoniikan kehittämisestä, LiNbO₃ on edelleen oletusvalinta tehokkaille{0}}modulaattoreille tietoliikenne- ja RF-fotoniyhteyksissä. Syyt eivät ole salaperäisiä: r₃₃ -kerroin noin 31 pm/V, optinen läpinäkyvyys 350 nm:stä 5 μm:iin ja kypsä valmistusinfrastruktuuri, joka tuottaa tasaisia ​​tuloksia.

Ohut{0}}kalvon vallankumous -, joka sitoi sub-mikronin LN-kerroksia pii- tai piinitridialustoille - avasi suorituskyvyn, jota bulkkilaitteet eivät yksinkertaisesti pystyneet saavuttamaan. Viimeaikaiset esittelyt ovat nostaneet 3-dB kaistanleveyksiä yli 110 GHz:n jännite{10}}pituustuotteiden ollessa noin 2,2 V·cm. Vertaa sitä tavanomaisiin titaanieristettyihin aaltoputkiin, jotka vaativat 5-6 V·cm, ja ymmärrät, miksi kaikki yhtäkkiä kiinnostuivat TFLN:stä vuoden 2018 tienoilla.

Mutta materiaalissa on ongelmia, joita myyjät eivät painota markkinointikirjallisuudessa.

 

Fotorefraktiiviset vauriot ovat todellisia ja ärsyttäviä

 

Z-leikkaus vs. X-leikkaus: ikuinen kompromissi

Kiteen suuntaus määrittää, piipahtaako modulaattorisi.

Z-leikkaavat laitteet sijoittavat elektrodit suoraan aaltoputken ylä- ja alapuolelle, mikä maksimoi sähkökentän päällekkäisyyden optisen tilan kanssa. Saat alhaisemman Vπ:n, mikä tarkoittaa vähemmän RF-taajuusmuuttajan tehoa, joka tarvitaan täyteen modulaatiosyvyyteen. Kiinnitykseen liittyy epäsymmetrinen vaihemodulaatio interferometrin kahden varren välillä - kun painat intensiteettiä alas, samalla asetat signaalillesi ei-toivottuja taajuusmuutoksia.

X-leikkauskokoonpanot sijoittavat elektrodit aaltoputken viereen symmetriseen työntö-vetojärjestelyyn. Molemmat käsivarret kokevat yhtäläiset ja vastakkaiset vaihesiirrot. Nolla sirkutusta. Puhdas amplitudimodulaatio. Mutta kenttien päällekkäisyys kärsii, mikä nostaa Vπ:ää ja vaatii tehokkaampia RF-vahvistimia.

Digitaalisessa tietoliikenteessä, jossa NRZ on 10 Gb/s, chirp saattaa itse asiassa auttaa - se voi osittain kompensoida kromaattista hajoamista tietyillä kuitupituuksilla. Analogisissa RF-fotonilinkeissä, joissa lineaarisuus on tärkeää, X-leikkaus tulee pakolliseksi.

 

Sähköabsorptio tekee asiat eri tavalla

Puolijohde{0}}pohjaiset EAM:t hyödyntävät kaistan-reunan absorptiomuutoksia taitekertoimen muutosten sijaan. Käytä käänteistä esijännitettä kvanttikuivon rakenteessa ja absorptioreunan punasiirtymä kvantti-rajoitetun Stark-efektin - eksitoniaaltofunktioiden kautta vääristyy, sitoutumisenergiat vähenevät ja aiemmin lähetetyt fotonit nyt absorboituvat.

Tämän lähestymistavan kauneus: ali-volttikäyttövaatimukset ja luontainen yhteensopivuus III-V-laserintegraation kanssa. Voit valmistaa DFB-laserin ja modulaattorin samalle InP-sirulle, jolloin vältetään kuitukytkentähäviöt ja kohdistuspäänsärky.

Ruma: aallonpituusherkkyys, joka saa LiNbO₃:n näyttämään laajakaistaiselta verrattuna. EAM-ekstinktiosuhteet romahtavat, jos laser ajautuu jopa muutaman nanometrin. Lämpötilan säätö ei ole-neuvoteltavissa.

Myös absorptio synnyttää luonnostaan ​​valovirtaa. Suurilla optisilla tehoilla tämä virta muuttaa sähkökentän jakautumista kvanttikuivoissa, jolloin modulaation tehokkuus muuttuu tehosta riippuvaiseksi tavoista, jotka vaikeuttavat linkin suunnittelua.

 

Mikä itse asiassa rajoittaa kaistanleveyttä

Ihmiset yhdistävät useita erillisiä kaistanleveyden rajoituksia ja se aiheuttaa sekaannusta.

Sähköinen kaistanleveys riippuu RC-aikavakioista liitoksen kapasitanssista ja elektrodin resistanssista sekä etenevien{0}}aaltojen vaikutuksista, kuten nopeuden epäsuhta ja mikroaaltohäviö. Nämä tekijät hallitsevat yleensä hyvin-suunnitellut laitteet.

Optinen kaistanleveys - eli aallonpituusalue, jolla modulaation tehokkuus pysyy suunnilleen vakiona - riippuu materiaalin dispersiosta ja aaltoputken suunnittelusta. Litiumniobaattilaitteissa tämä on yleensä valtava, ja se ulottuu satoihin nanometreihin. EAM:illa se voi olla 20-30 nm, jos olet onnekas.

Pockels-efektin materiaalin sisäinen vasteaika on femtosekuntijärjestelmässä. Kukaan ei ole koskaan rakentanut modulaattoria tarpeeksi nopeasti nähdäkseen tämän rajan. Franz-Keldysh-efekti reagoi yhtä nopeasti. Kun toimittajat mainitsevat "1 ps:n vasteajan", he puhuvat RC-rajoitetuista sähkökytkentöistä, eivät perusfysiikasta.

 

 

Impedanssin sovituksella on enemmän merkitystä kuin uskotkaan

Tavalliset RF-järjestelmät olettavat kaikkialla 50Ω. Optiset modulaattorit aiheuttavat usein reaktiivisia kuormia, jotka vaihtelevat taajuuden mukaan - kide käyttäytyy häviöllisenä kondensaattorina rinnakkain minkä tahansa elektrodin vastuksen kanssa.

Käytä korkean

Liikkuvat{0}}aaltomallit auttavat esittämällä jakautuneen impedanssin elektrodin pituudella. Päätevastukset absorboivat sitä, mikä ei liity optiseen kenttään. Mutta todellisen 50 Ω:n yhteensopivuuden saavuttaminen DC:stä 100 GHz:iin vaatii simulointitarkkuutta, joka ajaa kaupalliset EM-työkalut äärirajoihinsa.

Resonanssimodulaattorit ottavat päinvastaisen lähestymistavan - tarkoituksellisesti yhteensopimattomuuteen luodakseen korkean-Q-säiliöpiirin, joka muuntaa alhaiset tulojännitteet kilovoltti-skaalakentiksi, joita tarvitaan täyden Vπ-heilahduksen kannalta. Toimii hyvin yhdellä taajuudella. Hyödytön laajakaistasovelluksissa.

 

Harhaajatteluongelmasta kukaan ei halua keskustella

Kytke tasajännite litiumniobaattimodulaattoriin ja odota. Toimintapiste harhailee.

Tämä johtuu siitä, että laitteen rakenne ei ole puhtaasti resistiivinen - sinulla on puskurikerroksia, titaani-hajotettuja alueita, seostamatonta substraattia, joilla kaikilla on erilaiset johtavuudet ja dielektrisyysvakiot. Veloitus jakautuu uudelleen tunneista päiviin, seuloa käytetyn kentän ja siirtää siirtofunktiota.

Oikeat modulaattorimallit minimoivat ajautumisen huolellisen materiaalin valinnan ja valmistusprosessin ohjauksen ansiosta. Mutta "minimoida" ei tarkoita "poistaa". Jokaiseen vakavaan asennukseen kuuluu bias-ohjaimet, jotka valvovat optista lähtöä ja säätävät jatkuvasti jännitettä halutun toimintapisteen ylläpitämiseksi.

Pyrosähköinen vaikutus lisää toisen kerroksen ärsytystä. Lämpötilan muutokset synnyttävät spontaanin polarisaation, joka näyttää täsmälleen käytetyltä jännitteeltä kiteen näkökulmasta. Aseta modulaattorisi lähelle lämmönlähdettä ja katso bias-pisteen tanssimista.

 

Plasmonisia modulaattoreita on olemassa, mutta ne ovat edelleen eksoottisia

Äänenkorkeus kuulostaa vakuuttavalta: rajaa sekä valo- että RF-kentät nanomittakaikkoihin käyttämällä pintaplasmonitiloja, jolloin modulaatiotehokkuus on mahdotonta fotonisilla aaltoputkilla.

Viimeaikaiset tulokset osoittavat, että VπL-tuotteet ovat alle 0,1 V·cm ja elektrodien pituus on alle 20 μm. Kaistanleveys ylittää reilusti 100 GHz, koska kaikki on niin pientä, että nopeussovituksesta tulee triviaalia.

Saaliissa on menetys. Plasmoniset tilat haihduttavat energiaa metallin kuumentamiseen. Kytkentähäviöt 10-15 dB laitetta kohti tekevät järjestelmätason{5}}tehobudjeteista vaikeaa. Ja valon kytkeminen tavallisista yksimuotokuiduista nanomittakaavan plasmonisiin rakoihin vaatii kartiomaisia ​​rakenteita, jotka kuluttavat sirualuetta ja lisäävät omat häviönsä.

Plasmoniikka on järkevää erikoissovelluksissa, joissa koko ja nopeus ovat tehokkaampia. Televiestintälähetin-vastaanottimissa, jotka toimittavat miljoonia yksiköitä, tekniikka pysyy akateemisena.

 

Piifotoniikka haluaa kilpailla

Piin kantoaallon -häviömodulaattorit tarjoavat CMOS-yhteensopivuuden ja integraatiotiheyden, jota litiumniobaatti ei pysty vastaamaan. Valmista modulaattorisi ohjainelektroniikan rinnalla samalla kiekolla käyttämällä prosesseja, joita valimot jo suorittavat mittakaavassa.

Suorituskyky on parantunut dramaattisesti - 50 GHz:n kaistanleveydet ovat rutiinia, 85 Gbaudin toiminta osoitettu. Mutta taustalla oleva mekanismi perustuu vapaan-kantoaineen absorptioon ja plasmadispersioon. Molemmat ovat heikkoja vaikutuksia, jotka vaativat pidempiä vuorovaikutuspituuksia tai resonanssin tehostamista kohtuullisten ekstinktiosuhteiden saavuttamiseksi.

Hybridimenetelmät, joissa ohut{0}}kalvo LN liitetään piin fotonipiireihin, yrittää saada hyödyt molemmista maailmoista. Saat litiumniobaatin modulaatiotehokkuuden piin integraatiotiheydellä. Valmistuksen monimutkaisuus kasvaa vastaavasti.

 

Lämpötilaherkkyys vaihtelee hurjasti

Litiumniobaatilla on vahvat lämpö-optiset kertoimet - noin 3,9 × 10⁻⁵ / aste poikkeuksellisen indeksin osalta. 10 asteen heilahdus siirtää interferometrin harhaa noin neljännesaallonpituudella, jos et ole varovainen.

Puolijohdemodulaattoreilla on samankaltaisia ​​ongelmia sekä bandgap-siirtymiä, jotka muuttavat absorptioreunoja.

Vakioratkaisuun kuuluu terminen suunnittelu (aaltojohtoreittien järjestäminen niin, että lämpötilan -indusoidut vaihesiirrot peruuntuvat) tai aktiivinen lämpötilan stabilointi lämpösähköisten jäähdyttimien avulla. Kumpikaan lähestymistapa ei ole ilmainen - termiset mallit kuluttavat sirualuetta, kun taas TEC-järjestelmät kuluttavat virtaa ja lisäävät vikatiloja.

Kentällä{0}}käytetyt järjestelmät kokevat ympäristön lämpötilan vaihteluita, jotka laboratorioesittelyissä ei oteta huomioon. Se, mikä toimii kauniisti 25 asteessa, voi tulla käyttökelvottomaksi -40 asteessa tai +85 asteessa ilman vakavaa suunnittelutyötä.

 

Pakkauskustannukset hallitsevat

Tämä jää jatkuvasti huomiotta.

Varsinainen modulaattorisiru saattaa maksaa muutaman dollarin volyymiltaan. Tämän sirun pakkaaminen RF-liittimillä, kuituliittimillä, vinoutumista valvovilla valoilmaisimilla, lämmönhallinnalla ja hermeettisellä tiivisteellä lisää helposti 500–2000 dollaria materiaaliluetteloon.

Korkean-taajuuden käyttö tekee pakkaamisesta vaikeampaa, koska jokaisella johdinsidoksen induktanssilla ja liittimen epäjatkuvuudella on merkitystä. 40 GHz:n laitteet vaativat huolellista huomiota maatason jatkuvuuteen. 100 GHz:n laitteet vaativat flip-sirun liittämistä tai vastaavia tekniikoita, jotka lisäävät prosessivaiheita ja vähentävät tuottoa.

Teollisuus on parantunut tässä kahden vuosikymmenen aikana, mutta pakkaus on edelleen syy, miksi kaupalliset modulaattorit maksavat sen, mitä ne tekevät.

 

Mikä todella on toimitusmäärä

Kaikista jännittävistä tutkimustuloksista huolimatta suuren{0}}volyymin televiestintämarkkinoilla käytetään enimmäkseen laitteita, jotka olisivat näyttäneet vaikuttavilta viisi vuotta sitten ja nykyään tavallisilta.

20-40 GHz litiumniobaatti MZM:t hallitsevat 100G/400G koherentissa lähetyksessä. Piifotonimodulaattoreita esiintyy datakeskusten liitännöissä, joissa integrointi elektroniikkaan on tärkeämpää kuin raaka suorituskyky. DFB:hen integroidut InP--pohjaiset EAM-sovellukset palvelevat lyhyen ulottuvuuden sovelluksia, joissa hinta ja koko ylittävät suorituskykyvaatimukset.

Vuori-reuna 100+ GHz:n esittelyt säilyvät laboratorioissa tai pienimääräisissä-erikoissovelluksissa. Valmistuksen tuotto, luotettavuuden pätevyys ja kustannussäästöt kestävät vuosia kypsyä.

 

Luotettavuus ei ole glamouria, mutta se on välttämätöntä

Teleoperaattorit odottavat 20 vuoden käyttöikää kentällä. Tämä tarkoittaa vinoutumisen vakauden osoittamista nopeutetun vanhenemisen avulla, kuidun kiinnittymisen eheyden osoittamista, että se kestää lämpökiertoa ja jokaisen hermeettisen tiivisteen kelpuutusta kosteuden sisäänpääsyä vastaan.

Litiumniobaattilaitteilla on vuosikymmenten luotettavuustietoja, jotka tukevat niiden käyttöä merenalaisissa kaapeleissa ja maanpäällisissä runkoyhteyksissä. Uudemmat tekniikat joutuvat tiukempaan tarkasteluun, koska vikatiloja ei ole vielä täysin karakterisoitu.

Yksi toistuva ongelma liittyy elektrodien heikkenemiseen korkeilla RF-tehotasoilla. Metallien migraatio, oksidin muodostuminen ja lämpösyklistä johtuva mekaaninen rasitus lisäävät vähitellen insertiohäviötä ja siirtyvät Vπ. Nopeutettu testaus korkeissa lämpötiloissa yrittää ennustaa elämän loppu--käyttäytymistä, mutta laboratoriotulosten ja kenttäkokemusten välinen korrelaatio on edelleen epätäydellinen.

 

Numerot joilla on merkitystä

Arvioitaessa modulaattoria korkeataajuuksisille{0}}sovelluksille, nämä tiedot ansaitsevat huomion:

3-dB elektro-optinen kaistanleveys – ei se -6 dB:n piste, johon jotkin tietolomakkeet hiipivät. 40 GHz:n taajuus -6 dB:llä saattaa tuottaa vain 25 GHz:n taajuudella -3 dB:llä.

Vπ käyttötaajuudellasi, ei tasavirralla. Elektrodihäviö ja nopeuden yhteensopimattomuus aiheuttavat Vπ:n lisääntymisen taajuuden mukana useimmissa liikkuvissa{1}}aaltorakenteissa.

Sisäänpanohäviö mukaan lukien kuitukytkentä. Sirutason-numerot näyttävät paremmilta kuin pakatut laitenumerot, joskus dramaattisestikin.

Ekstinktiosuhde modulaation alaisena, ei staattinen. RF-aseman puutteet ja kaistanleveyden rajoitukset vähentävät saavutettavaa kontrastia korkeilla taajuuksilla.

Paluuhäviö tai S11 kuvaamaan impedanssisovituksen laatua. Huono paluuhäviö tarkoittaa heijastuksia, jotka aiheuttavat ongelmia RF-ketjussasi.

Kukaan ei mittaa kaikkea mitä tarvitset juuri sinun käyttöolosuhteissasi. Tietosivujen tulkitseminen vaatii kokemusta sen tunnistamisesta, mitkä luvut tarkoittavat sovellustasi ja mitkä edustavat parhaita-tapausskenaarioita, joita et koskaan saavuta.

 

Tulevaisuuden suunnat, joilla voi oikeasti olla merkitystä

Korkeampi integraatio jatkaa modulaattoriteknologian työntämistä kohti fotonisia integroituja piirejä, jotka yhdistävät laserit, modulaattorit, vahvistimet ja multiplekserit yhdellä sirulla. Tämä vähentää kuitujen kytkentähäviöitä, eliminoi erillisten komponenttien kokoonpanon ja mahdollistaa toiminnallisuuden mahdottomaksi erillisillä laitteilla.

Siirtyminen korkeampaan baudinopeuteen - 100+ Gbaud koherentille lähetykselle - vaatii modulaattorin kaistanleveyksiä, joita nykyiset kaupalliset tuotteet tuskin saavuttavat. TFLN-laitteet näyttävät olevan sijoitettu tähän tarpeeseen, jos valmistus mittakaavassa onnistuu.

Pakattu optiikka, jossa fotoniikka asetetaan suoraan kytkimien ASIC-kortteihin, edustaa toista integraation rajaa. Sähköliitännät tulevat erittäin lyhyiksi, mikä mahdollistaa suuremman kaistanleveyden pienemmällä teholla kuin nykyiset kytkettävät lähetin-vastaanottimet.

Se, voittaako jokin tietty tekniikka, riippuu vähemmän raakasuorituskyvystä kuin valmistuskustannuksista, toimitusketjun kypsyydestä ja ekosysteemin tuesta - tekijöitä, jotka etenevät hitaammin kuin laboratoriotulokset antavat ymmärtää.

Ensi vuonna käyttöönottamasi modulaattori näyttää todennäköisesti melko samanlaiselta kuin se, joka toimitettiin kolme vuotta sitten, riippumatta siitä, mitä konferenssipaperit lupaavat.