Hochleistungs-Elektro-Optik-Modulator: Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator

Hochleistungs-Elektro-Optik-Modulator:Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator

Ein elektrooptischer Modulator (EOM-Modulator) ist ein Modulator, der den elektrooptischen Effekt bestimmter elektrooptischer Kristalle nutzt und schnelle elektronische Signale in Kommunikationsgeräten in optische Signale umwandeln kann. Wird der elektrooptische Kristall einem elektrischen Feld ausgesetzt, ändert sich sein Brechungsindex und damit auch seine optischen Welleneigenschaften. Dadurch werden Amplitude, Phase und Polarisationszustand des optischen Signals moduliert und das schnelle elektronische Signal im Kommunikationsgerät durch Modulation in ein optisches Signal umgewandelt.

Derzeit gibt es drei Haupttypen vonelektrooptische Modulatorenauf dem Markt: Silizium-basierte Modulatoren, Indiumphosphid-Modulatoren und DünnschichtLithiumniobat-ModulatorUnter diesen weist Silizium keinen direkten elektrooptischen Koeffizienten auf und die Leistung ist allgemeiner, sodass es nur für die Herstellung von Transceivermodul-Modulatoren für die Datenübertragung über kurze Distanzen geeignet ist. Indiumphosphid eignet sich zwar für Transceivermodule für optische Kommunikationsnetzwerke über mittlere bis lange Distanzen, aber die Anforderungen an den Integrationsprozess sind extrem hoch, die Kosten sind relativ hoch und die Anwendung unterliegt gewissen Einschränkungen. Im Gegensatz dazu weist Lithiumniobatkristall nicht nur einen starken photoelektrischen Effekt auf, sondern weist auch einen photorefraktiven Effekt, einen nichtlinearen Effekt, einen elektrooptischen Effekt, einen akustisch-optischen Effekt, einen piezoelektrischen Effekt und einen thermoelektrischen Effekt auf, und dank seiner Gitterstruktur und der vielen Defekte lassen sich viele Eigenschaften von Lithiumniobat durch die Kristallzusammensetzung, Elementdotierung, Valenzzustandssteuerung usw. stark regulieren. Es wird eine überlegene photoelektrische Leistung erreicht, beispielsweise ein elektrooptischer Koeffizient von bis zu 30,9 pm/V, der deutlich höher ist als bei Indiumphosphid, und es weist einen geringen Chirp-Effekt (Chirp-Effekt: bezeichnet das Phänomen, dass sich die Frequenz innerhalb des Impulses während des Laserimpulsübertragungsprozesses mit der Zeit ändert. Ein stärkerer Chirp-Effekt führt zu einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis und einem nichtlinearen Effekt), ein gutes Extinktionsverhältnis (das durchschnittliche Leistungsverhältnis zwischen dem „Ein“-Zustand und dem „Aus“-Zustand des Signals) und eine überlegene Gerätestabilität auf. Darüber hinaus unterscheidet sich der Wirkmechanismus des Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulators von dem siliziumbasierter und Indiumphosphid-Modulatoren mit nichtlinearen Modulationsverfahren. Diese nutzen den linearen elektrooptischen Effekt, um das elektrisch modulierte Signal auf den optischen Träger zu übertragen. Die Modulationsrate wird hauptsächlich durch die Leistung der Mikrowellenelektrode bestimmt. Dadurch können eine höhere Modulationsgeschwindigkeit und Linearität sowie ein geringerer Stromverbrauch erreicht werden. Daher ist Lithiumniobat die ideale Wahl für die Herstellung leistungsstarker elektrooptischer Modulatoren. Sie finden breite Anwendung in kohärenten optischen 100G/400G-Kommunikationsnetzen und Ultrahochgeschwindigkeits-Rechenzentren und können Übertragungsdistanzen von über 100 Kilometern erreichen.

Lithiumniobat als subversives Material der „Photonenrevolution“ bietet zwar gegenüber Silizium und Indiumphosphid viele Vorteile, wird jedoch häufig als Bulkmaterial in Geräten eingesetzt. Das Licht wird auf den durch Ionendiffusion oder Protonenaustausch gebildeten ebenen Wellenleiter beschränkt. Der Brechungsindexunterschied ist in der Regel relativ gering (ca. 0,02), und die Gerätegröße ist relativ groß. Es ist schwierig, den Anforderungen der Miniaturisierung und Integration gerecht zu werden.optische Geräte, und seine Produktionslinie unterscheidet sich immer noch von der tatsächlichen Mikroelektronik-Prozesslinie, und es besteht das Problem der hohen Kosten, daher ist die Dünnschichtbildung eine wichtige Entwicklungsrichtung für Lithiumniobat, das in elektrooptischen Modulatoren verwendet wird.