Giới thiệu bộ điều biến Mach-Zehnder quang tử silicon (MZM).

Giới thiệu bộ điều biến Mach-Zehnder quang tử siliconBộ điều biến MZM

Bộ điều biến Mach-Zehnder là thành phần quan trọng nhất ở phía phát trong các module quang tử silicon 400G/800G. Hiện nay, có hai loại bộ điều biến ở phía phát của các module quang tử silicon được sản xuất hàng loạt: Loại thứ nhất là bộ điều biến PAM4 dựa trên chế độ hoạt động một kênh 100Gbps, đạt được khả năng truyền dữ liệu 800Gbps thông qua phương pháp song song 4 kênh/8 kênh và chủ yếu được ứng dụng trong các trung tâm dữ liệu và GPU. Tất nhiên, một bộ điều biến Mach-Zehnder quang tử silicon một kênh 200Gbps sẽ cạnh tranh với EML sau khi sản xuất hàng loạt ở tốc độ 100Gbps cũng không còn xa nữa. Loại thứ hai là...Bộ điều chỉnh IQỨng dụng trong truyền thông quang học đồng bộ đường dài. Khái niệm "thu nhận tín hiệu đồng bộ" được đề cập ở giai đoạn hiện tại đề cập đến khoảng cách truyền dẫn của các module quang học từ hàng nghìn km trong mạng trục đô thị đến các module quang học ZR từ 80 đến 120 km, và thậm chí đến các module quang học LR từ 10 km trong tương lai.

Nguyên lý tốc độ caobộ điều biến siliconcó thể chia thành hai phần: quang học và điện học.

Phần quang học: Nguyên lý cơ bản là giao thoa kế Mach-Zehnder. Một chùm tia sáng đi qua bộ tách tia 50-50 và trở thành hai chùm tia sáng có năng lượng bằng nhau, tiếp tục được truyền trong hai nhánh của bộ điều biến. Bằng cách điều khiển pha trên một trong các nhánh (tức là, chỉ số khúc xạ của silicon được thay đổi bằng bộ gia nhiệt để thay đổi tốc độ truyền của một nhánh), sự kết hợp chùm tia cuối cùng được thực hiện ở đầu ra của cả hai nhánh. Chiều dài pha giao thoa (nơi đỉnh của cả hai nhánh đạt đến đồng thời) và sự triệt tiêu giao thoa (nơi hiệu pha là 90° và đỉnh ngược chiều với đáy) có thể đạt được thông qua giao thoa, từ đó điều biến cường độ ánh sáng (có thể hiểu là 1 và 0 trong tín hiệu số). Đây là một cách hiểu đơn giản và cũng là một phương pháp điều khiển điểm làm việc trong thực tế. Ví dụ, trong truyền thông dữ liệu, chúng ta làm việc ở điểm thấp hơn đỉnh 3dB, và trong truyền thông đồng bộ, chúng ta làm việc ở điểm không có điểm sáng. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển độ lệch pha thông qua gia nhiệt và tản nhiệt để điều khiển tín hiệu đầu ra này mất rất nhiều thời gian và không thể đáp ứng yêu cầu truyền tải 100Gbps mỗi giây của chúng tôi. Do đó, chúng ta phải tìm cách đạt được tốc độ điều chế nhanh hơn.

Phần điện chủ yếu bao gồm phần tiếp giáp PN cần thay đổi chiết suất ở tần số cao, và cấu trúc điện cực sóng truyền phù hợp với tốc độ của tín hiệu điện và tín hiệu quang. Nguyên lý thay đổi chiết suất là hiệu ứng tán sắc plasma, còn được gọi là hiệu ứng tán sắc hạt tải tự do. Nó đề cập đến hiệu ứng vật lý khi nồng độ hạt tải tự do trong vật liệu bán dẫn thay đổi, phần thực và phần ảo của chiết suất của vật liệu cũng thay đổi tương ứng. Khi nồng độ hạt tải trong vật liệu bán dẫn tăng lên, hệ số hấp thụ của vật liệu tăng lên trong khi phần thực của chiết suất giảm xuống. Tương tự, khi số lượng hạt tải trong vật liệu bán dẫn giảm, hệ số hấp thụ giảm xuống trong khi phần thực của chiết suất tăng lên. Với hiệu ứng như vậy, trong các ứng dụng thực tế, việc điều chế tín hiệu tần số cao có thể đạt được bằng cách điều chỉnh số lượng hạt tải trong ống dẫn sóng truyền dẫn. Cuối cùng, tín hiệu 0 và 1 xuất hiện ở vị trí đầu ra, tải các tín hiệu điện tốc độ cao lên biên độ cường độ ánh sáng. Cách để đạt được điều này là thông qua tiếp giáp PN. Số lượng hạt tải điện tự do trong silicon nguyên chất rất ít, và sự thay đổi về số lượng không đủ để đáp ứng sự thay đổi về chiết suất. Do đó, cần phải tăng lượng hạt tải điện trong ống dẫn sóng bằng cách pha tạp silicon để đạt được sự thay đổi về chiết suất, từ đó đạt được tốc độ điều chế cao hơn.