실리콘 포토닉 마흐-젠더 변조기(MZM 변조기)를 소개합니다.

실리콘 포토닉 마흐-젠더 변조기를 소개합니다.MZM 변조기

마흐-젠더 변조기는 400G/800G 실리콘 포토닉 모듈의 송신단에서 가장 중요한 부품입니다. 현재 양산되는 실리콘 포토닉 모듈의 송신단에는 두 가지 유형의 변조기가 있습니다. 첫 번째는 단일 채널 100Gbps 동작 모드 기반의 PAM4 변조기로, 4채널/8채널 병렬 방식을 통해 800Gbps 데이터 전송을 구현하며 주로 데이터 센터와 GPU에 적용됩니다. 물론, 100Gbps 양산 후 EML과 경쟁할 수 있는 단일 채널 200Gbps 실리콘 포토닉 마흐-젠더 변조기가 곧 출시될 것으로 예상됩니다. 두 번째 유형은...IQ 변조기본 기술은 장거리 코히런트 광통신에 적용됩니다. 현재 단계에서 언급된 코히런트 싱킹은 대도시 기간망의 수천 킬로미터에 달하는 광 모듈 전송 거리에서 80~120킬로미터에 이르는 ZR 광 모듈 전송 거리, 그리고 향후 10킬로미터에 이르는 LR 광 모듈 전송 거리까지 포괄하는 것을 의미합니다.

고속의 원리실리콘 변조기광학과 전기, 이렇게 두 부분으로 나눌 수 있습니다.

광학 부분: 기본 원리는 마흐-젠더 간섭계입니다. 광선이 50:50 빔 분할기를 통과하여 동일한 에너지를 가진 두 개의 광선으로 나뉘어 변조기의 두 팔로 전달됩니다. 한쪽 팔의 위상을 제어함으로써(즉, 히터를 사용하여 실리콘의 굴절률을 변화시켜 한쪽 팔의 전파 속도를 조절함으로써) 최종적으로 두 광선이 합쳐져 두 팔의 출구에서 합쳐집니다. 간섭을 통해 두 팔의 피크가 동시에 도달하는 간섭 위상 길이와 위상차가 90°가 되어 피크와 골이 서로 반대 위치에 있는 간섭 상쇄를 구현할 수 있으며, 이를 통해 빛의 강도(디지털 신호에서는 1과 0으로 표현됨)를 변조할 수 있습니다. 이는 간단한 설명이며, 실제 작동 시 동작점을 제어하는 ​​방법이기도 합니다. 예를 들어, 데이터 통신에서는 피크보다 3dB 낮은 지점에서 동작하고, 코히런트 통신에서는 빛이 없는 지점에서 동작합니다. 하지만 가열과 열 방출을 통해 위상차를 제어하여 출력 신호를 조절하는 이 방법은 시간이 매우 오래 걸리고 초당 100Gbps의 전송 속도라는 우리의 요구 조건을 충족할 수 없습니다. 따라서 더 빠른 변조 속도를 달성할 수 있는 방법을 찾아야 합니다.

전기적 부분은 주로 고주파에서 굴절률을 변화시켜야 하는 PN 접합부와 전기 신호 및 광 신호의 속도를 일치시키는 진행파 전극 구조로 구성됩니다. 굴절률 변화 원리는 플라즈마 분산 효과, 즉 자유 전하 분산 효과입니다. 이는 반도체 물질 내 자유 전하의 농도가 변할 때 물질 자체의 굴절률의 실수부와 허수부가 그에 따라 변하는 물리적 현상을 말합니다. 반도체 물질 내 전하 농도가 증가하면 물질의 흡수 계수는 증가하고 굴절률의 실수부는 감소합니다. 마찬가지로 반도체 물질 내 전하 농도가 감소하면 흡수 계수는 감소하고 굴절률의 실수부는 증가합니다. 이러한 효과를 이용하여 실제 응용 분야에서는 전송 도파관 내 전하 수를 조절함으로써 고주파 신호의 변조를 구현할 수 있습니다. 최종적으로 출력 위치에는 0과 1 신호가 나타나며, 이는 고속 전기 신호를 광 강도의 진폭에 실어 전달하는 역할을 합니다. 이러한 구현 방식은 PN 접합부를 통해 이루어집니다. 순수 실리콘의 자유 전하 운반체는 매우 적으며, 그 양적 변화만으로는 굴절률 변화에 대응하기에 충분하지 않습니다. 따라서 굴절률 변화를 이루어내고 더 높은 변조율을 달성하기 위해서는 실리콘 도핑을 통해 전송 도파관 내 전하 운반체 수를 증가시켜야 합니다.