Hochleistungs-elektrooptischer Modulator:Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator
Ein elektrooptischer Modulator (EOM-ModulatorEin solcher Modulator nutzt den elektrooptischen Effekt bestimmter elektrooptischer Kristalle und wandelt Hochgeschwindigkeitssignale in Kommunikationsgeräten in optische Signale um. Wird ein elektrisches Feld angelegt, ändert sich der Brechungsindex des Kristalls, wodurch sich auch seine optischen Eigenschaften verändern. Dies ermöglicht die Modulation von Amplitude, Phase und Polarisation des optischen Signals und wandelt das Hochgeschwindigkeitssignal im Kommunikationsgerät somit in ein optisches Signal um.
Derzeit gibt es drei Haupttypenelektrooptische ModulatorenAuf dem Markt erhältlich: Silizium-basierte Modulatoren, Indiumphosphid-Modulatoren und Dünnschicht-ModulatorenLithiumniobat-ModulatorSilizium besitzt keinen direkten elektrooptischen Koeffizienten, seine Leistung ist allgemeiner und es eignet sich nur für die Herstellung von Modulatoren für Transceiver-Module zur Datenübertragung über kurze Distanzen. Indiumphosphid eignet sich zwar für Transceiver-Module in optischen Kommunikationsnetzen mittlerer bis langer Distanz, jedoch sind die Anforderungen an den Integrationsprozess extrem hoch, die Kosten sind relativ hoch und die Anwendung unterliegt gewissen Einschränkungen. Im Gegensatz dazu zeichnet sich Lithiumniobatkristall nicht nur durch einen ausgeprägten photoelektrischen Effekt aus, sondern vereint auch photorefraktiven, nichtlinearen, elektrooptischen, akusto-optischen, piezoelektrischen und thermoelektrischen Effekt. Dank seiner Gitterstruktur und der vielfältigen Defektstruktur lassen sich viele seiner Eigenschaften durch Kristallzusammensetzung, Elementdotierung, Valenzzustandskontrolle usw. gezielt steuern. Dadurch erzielt er überlegene photoelektrische Eigenschaften, wie beispielsweise einen elektrooptischen Koeffizienten von bis zu 30,9 pm/V, der deutlich höher ist als der von Indiumphosphid. Zudem weist er einen geringen Chirp-Effekt auf (Chirp-Effekt: die zeitliche Frequenzänderung innerhalb eines Laserpulses während der Übertragung; ein größerer Chirp-Effekt führt zu einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis und nichtlinearen Effekten), ein gutes Extinktionsverhältnis (das Verhältnis der mittleren Leistung im „Ein“-Zustand zur Leistung im „Aus“-Zustand) und eine hohe Gerätestabilität. Darüber hinaus unterscheidet sich der Wirkungsmechanismus des Lithiumniobat-Dünnschichtmodulators von dem der Silizium- und Indiumphosphid-Modulatoren, die nichtlineare Modulationsverfahren nutzen. Er verwendet den linearen elektrooptischen Effekt, um das elektrisch modulierte Signal auf den optischen Träger zu übertragen. Die Modulationsrate wird dabei hauptsächlich durch die Leistungsfähigkeit der Mikrowellenelektrode bestimmt. Dadurch lassen sich höhere Modulationsgeschwindigkeit und Linearität sowie ein geringerer Stromverbrauch erzielen. Aus diesen Gründen ist Lithiumniobat eine ideale Wahl für die Herstellung von Hochleistungs-Elektrooptikmodulatoren. Diese finden breite Anwendung in kohärenten optischen 100G/400G-Kommunikationsnetzen und ultraschnellen Rechenzentren und ermöglichen Übertragungsdistanzen von über 100 Kilometern.
Lithiumniobat, ein bahnbrechendes Material der „Photonenrevolution“, bietet zwar im Vergleich zu Silizium und Indiumphosphid viele Vorteile, tritt jedoch in Bauelementen häufig als massives Material auf. Das Licht ist auf die durch Ionendiffusion oder Protonenaustausch gebildeten ebenen Wellenleiter beschränkt, der Brechungsindexunterschied ist üblicherweise relativ gering (etwa 0,02), und die Bauelemente sind vergleichsweise groß. Daher ist es schwierig, die Anforderungen an Miniaturisierung und Integration zu erfüllen.optische Geräteund seine Produktionslinie unterscheidet sich noch von der eigentlichen mikroelektronischen Prozesslinie, und es gibt ein Problem der hohen Kosten, daher ist die Dünnschichtbildung eine wichtige Entwicklungsrichtung für Lithiumniobat, das in elektrooptischen Modulatoren verwendet wird.
Veröffentlichungsdatum: 24. Dezember 2024