シリコンフォトニックマッハツェンダー変調器（MZM変調器）を紹介します。

シリコンフォトニックマッハツェンダー変調器を紹介します。MZM変調器

マッハツェンダー変調器は、400G/800Gシリコンフォトニックモジュールの送信側で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側には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チャネル並列方式で800Gbpsのデータ伝送を実現し、主にデータセンターやGPUに適用されています。もちろん、100Gbpsでの量産後にEMLと競合するシングルチャネル200Gbpsシリコンフォトニックマッハツェンダー変調器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に適用される。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の伝送距離から、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光モジュールまでを指す。

高速の原理シリコン変調器光学と電気の2つの分野に分けられる。

光学部：基本原理はマッハ・ツェンダー干渉計です。光線は50対50のビームスプリッターを通過して、エネルギーが等しい2つの光線となり、変調器の2つのアームを伝搬します。一方のアームの位相制御（つまり、ヒーターによっ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える）によって、最終的な光線合成が両アームの出口で行われます。干渉によって、干渉位相長（両アームのピークが同時に到達する点）と干渉打ち消し（位相差が90°で、ピークが谷と反対になる点）を実現でき、それによって光強度（デジタル信号では1と0に相当）を変調できます。これは理解しやすく、実務における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スポットがない点で動作します。しかしながら、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、非常に時間がかかり、毎秒100Gbpsの伝送速度という我々の要求を満たすことができません。したがって、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必要のあるPN接合部と、電気信号と光信号の速度を整合させる進行波電極構造から構成される。屈折率変化の原理は、プラズマ分散効果、または自由キャリア分散効果と呼ばれる。これは、半導体材料中の自由キャリア濃度が変化すると、その材料固有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現象である。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するが、屈折率の実部は減少する。同様に、半導体材料中のキャリア濃度が減少すると、吸収係数は減少するが、屈折率の実部は増加する。このような効果を利用して、実際の応用では、伝送導波路内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る。最終的に、出力位置で0と1の信号が現れ、高速電気信号が光強度の振幅にロードされる。これを実現する方法は、PN接合を利用することである。純粋なシリコンの自由キャリアは非常に少なく、その量の変化だけでは屈折率の変化に対応できません。したがって、シリコンにドーピングを施して伝送導波路内のキャリアベースを増やし、屈折率の変化を実現することで、より高いレートの変調が可能になります。