Neues Ultrabreitband 997 GHzelektrooptischer Modulator
Ein neuer ultrabreitbandiger elektrooptischer Modulator hat einen Bandbreitenrekord von 997 GHz aufgestellt
Kürzlich hat ein Forschungsteam in Zürich erfolgreich einen ultrabreitbandigen elektrooptischen Modulator entwickelt, der im Frequenzbereich von 10 MHz bis 1,14 THz arbeitet und mit 997 GHz einen Bandbreitenrekord von 3 dB aufstellt – doppelt so viel wie der aktuelle Rekord. Dieser Durchbruch ist auf das optimierte Design von Plasmamodulatoren zurückzuführen und eröffnet völlig neue Möglichkeiten für zukünftige photonische integrierte Terahertz-Schaltkreise (PICs).
Derzeit basiert die drahtlose Kommunikation hauptsächlich auf Mikrowellen und Millimeterwellen, doch die Spektrumressourcen dieser Frequenzbänder sind tendenziell ausgelastet. Obwohl die optische Kommunikation über eine große Bandbreite verfügt, kann sie nicht direkt für die drahtlose Übertragung im freien Raum genutzt werden. Daher gilt die THz-Kommunikation als „goldene Brücke“ zwischen drahtlosen und Glasfasernetzen und bietet eine ideale Lösung für 6G- und höherfrequente Kommunikationssysteme. Das Problem liegt darin, dass die Leistung bestehender elektrooptischer Modulatoren (wie z. B.LiNbO₃-Modulator, InGaAs und siliziumbasierte Materialien) im THz-Frequenzband ist bei weitem nicht ausreichend. Die Signaldämpfung ist deutlich spürbar. Die Arbeitsbandbreite beträgt nur etwa 14 GHz und die maximale Trägerfrequenz nur 100 GHz, was weit von den für die THz-Kommunikation erforderlichen Standards entfernt ist. In diesem Artikel haben Forscher einen neuen plasmabasierten Modulator entwickelt, der die 3-dB-Bandbreite erfolgreich auf 997 GHz erhöht und damit den aktuellen Rekord verdoppelt (siehe Abbildung 1). Dieser Durchbruch überwindet nicht nur die Grenzen traditioneller Technologien, sondern ebnet auch den Weg für die zukünftige Entwicklung der THz-Kommunikation!
Abbildung 1 Plasma-elektrooptischer Modulator mit THz-Bandbreite
Der entscheidende Durchbruch dieses neuen Modulatortyps liegt in der Hightech-Technologie namens „Plasmaeffekt“. Stellen Sie sich vor, wenn Licht auf die Oberfläche einer metallischen Nanostruktur trifft, schwingt es mit den Elektronen im Material – die Elektronen schwingen gemeinsam, angetrieben vom Licht, und bilden eine besondere Art von Welle. Genau diese Fluktuation ermöglicht dieModulatorzur Manipulation optischer Signale mit extrem hoher Effizienz. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Modulator gute Modulationseigenschaften im Bereich von DC (Gleichstrom) bis 1,14 THz aufweist und im Frequenzband von 500 GHz bis 800 GHz eine stabile Verstärkung aufweist.
Um die Funktionsweise des Modulators eingehend zu untersuchen, erstellte das Forschungsteam ein detailliertes Ersatzschaltbildmodell und analysierte den Einfluss verschiedener Strukturparameter auf die Leistung des Modulators mittels Simulation. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit dem theoretischen Modell überein und bestätigen die Effizienz und Stabilität des Modulators. Darüber hinaus haben die Forscher einen Verbesserungsplan vorgeschlagen. Es wird erwartet, dass die Betriebsfrequenz dieses Modulators durch optimiertes Design künftig 1 THz überschreiten und sogar über 2 THz erreichen kann!
Diese Studie zeigt das große Potenzial von Plasmaelektrooptische Modulatorenin der THz-Kommunikation und in photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs). Dieses Gerät mit seinen Eigenschaften Ultrabreitband, hoher Effizienz und Integrierbarkeit bietet eine völlig neue Lösung für die THz-Signalmodulation. Durch die weitere Optimierung von Gerätedesign und Herstellungsprozessen wird erwartet, dass die Betriebsfrequenz von Plasmamodulatoren zukünftig 2 THz überschreiten wird, wodurch höhere Datenraten und eine breitere Spektrumabdeckung erreicht werden. Der Beginn des THz-Zeitalters bedeutet nicht nur schnellere Datenübertragung und präzisere Sensorfunktionen, sondern fördert auch die tiefe Integration in verschiedenen Bereichen wie drahtlose Kommunikation, optische Datenverarbeitung und intelligente Erkennung. Der Durchbruch der plasmaelektrooptischen Modulatoren könnte ein entscheidender Schritt für die Entwicklung der THz-Technologie sein und die Grundlage für die Hochgeschwindigkeitsverbindungen der zukünftigen Informationsgesellschaft legen.
Beitragszeit: 09.06.2025