シリコンフォトニックマッハツェンダ変調器MZM変調器の紹介

シリコンフォトニックマッハツェンダ変調器の紹介MZM変調器

マッハツェンダ変調器は、400G/800Gシリコンフォトニックモジュールの送信端における最も重要なコンポーネントです。現在、量産されているシリコンフォトニックモジュールの送信端には2種類の変調器があります。1つは、シングルチャネル100Gbps動作モードに基づくPAM4変調器で、4チャネル/8チャネル並列アプローチにより800Gbpsのデータ伝送を実現し、主にデータセンターやGPUに応用されています。もちろん、100Gbpsで量産され、EMLと競合するシングルチャネル200Gbpsシリコンフォトニクスマッハツェンダ変調器の登場もそう遠くないでしょう。2つ目は、IQモジュレーター長距離コヒーレント光通信への応用。現段階で言及されているコヒーレントシンキングとは、都市圏基幹ネットワークにおける数千キロメートルに及ぶ光モジュールから、80～120キロメートルに及ぶZR光モジュール、さらには将来的には10キロメートルに及ぶLR光モジュールの伝送距離を指します。

高速の原理シリコン変調器光学と電気の2つの部分に分けられます。

光学部分：基本原理はマッハ・ツェンダー干渉計です。光ビームは50-50ビームスプリッターを通過し、等しいエネルギーを持つ2つの光ビームになります。これらの光ビームは、変調器の2つのアームを伝搬し続けます。一方のアームの位相制御（つまり、ヒーターを用いてシリコンの屈折率を変化させ、一方のアームの伝搬速度を変化させる）により、両方のアームの出口で最終的なビーム結合が行われます。干渉によって、干渉位相長（両方のアームのピークが同時に到達する）と干渉キャンセル（位相差が90°で、ピークと谷が反対になる）を実現し、光強度（デジタル信号では1と0として理解できます）を変調します。これは単純な理解であり、実際の動作点の制御方法でもあります。例えば、データ通信ではピークより3dB低い点で動作し、コヒーレント通信では光点がない点で動作します。しかし、加熱と放熱によって位相差を制御し出力信号を制御するこの方法は、非常に長い時間がかかり、毎秒100Gbpsの伝送という当社の要件を満たすことができません。そのため、より高速な変調速度を実現する方法を見つける必要があります。

電気部は、主に高周波で屈折率を変化させるPN接合部と、電気信号と光信号の速度を一致させる進行波電極構造で構成されています。屈折率を変化させる原理はプラズマ分散効果、つまり自由キャリア分散効果です。これは、半導体材料中の自由キャリアの濃度が変化すると、材料自身の屈折率の実部と虚部もそれに応じて変化するという物理的効果を指します。半導体材料中のキャリア濃度が増加すると、材料の吸収係数は増加し、屈折率の実部は減少します。同様に、半導体材料中のキャリアが減少すると、吸収係数は減少し、屈折率の実部は増加します。このような効果を利用して、実用化においては、伝送導波路中のキャリア数を調整することで高周波信号の変調を実現できます。最終的に、出力位置に0と1の信号が現れ、光強度の振幅に高速電気信号を乗せます。これを実現する方法はPN接合です。純粋シリコンの自由キャリアは非常に少なく、その量の変化は屈折率の変化に対応するには不十分です。そのため、屈折率の変化を実現するためには、シリコンをドーピングして伝送導波路内のキャリアベースを増加させ、より高速な変調を実現する必要があります。