Neues Ultrabreitband 997 GHzelektrooptischer Modulator
Ein neuer elektrooptischer Modulator mit extrem hoher Bandbreite hat einen Bandbreitenrekord von 997 GHz aufgestellt.
Einem Forschungsteam in Zürich ist es kürzlich gelungen, einen ultrabreitbandigen elektrooptischen Modulator zu entwickeln, der in einem Frequenzbereich von 10 MHz bis 1,14 THz arbeitet und mit einer Bandbreite von 997 GHz einen neuen 3-dB-Rekord aufstellt – das Doppelte des bisherigen Rekords. Dieser Durchbruch ist auf das optimierte Design der Plasmamodulatoren zurückzuführen und eröffnet völlig neue Möglichkeiten für zukünftige photonische integrierte Schaltungen (PICs) im Terahertz-Bereich.
Aktuell basiert die drahtlose Kommunikation hauptsächlich auf Mikrowellen und Millimeterwellen, doch die Spektrumressourcen dieser Frequenzbänder sind zunehmend 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 Terahertz-Kommunikation als die „goldene Brücke“ zwischen drahtlosen und Glasfasernetzen und bietet eine ideale Lösung für 6G- und höherwertige Kommunikationssysteme. Das Problem besteht darin, dass die Leistungsfähigkeit bestehender elektrooptischer Modulatoren (wie z. B. …) …LiNbO₃-ModulatorDie Leistungsfähigkeit von Materialien wie InGaAs und Silizium im Terahertz-Frequenzband ist bei Weitem nicht ausreichend. Die Signaldämpfung ist deutlich. Die Arbeitsbandbreite beträgt lediglich etwa 14 GHz und die maximale Trägerfrequenz nur 100 GHz, was die Anforderungen an die Terahertz-Kommunikation bei Weitem nicht erfüllt. In diesem Artikel stellen Forscher einen neuen plasmabasierten Modulator vor, mit dem die 3-dB-Bandbreite erfolgreich auf 997 GHz erhöht werden konnte – das Doppelte des bisherigen Rekords (siehe Abbildung 1). Dieser Durchbruch überwindet nicht nur die Grenzen traditioneller Technologien, sondern eröffnet auch neue Wege für die zukünftige Entwicklung der Terahertz-Kommunikation!
Abbildung 1: Plasma-elektrooptischer Modulator mit THz-Bandbreite
Der entscheidende Durchbruch dieses neuen Modulatortyps liegt in der sogenannten Plasma-Technologie. Stellen Sie sich vor: Wenn Licht auf die Oberfläche einer metallischen Nanostruktur trifft, gerät es in Resonanz mit den Elektronen im Material. Die Elektronen schwingen, vom Licht angeregt, kollektiv und bilden eine spezielle Welle. Genau diese Fluktuation ermöglicht die …ModulatorOptische Signale lassen sich mit extrem hoher Effizienz manipulieren. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Modulator im Bereich von Gleichstrom (DC) bis 1,14 THz gute Modulationseigenschaften aufweist und im Frequenzband von 500 GHz bis 800 GHz eine stabile Verstärkung besitzt.
Um den Funktionsmechanismus des Modulators eingehend zu untersuchen, erstellte das Forschungsteam ein detailliertes Ersatzschaltbildmodell und analysierte mittels Simulation den Einfluss verschiedener Strukturparameter auf die Modulatorleistung. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit dem theoretischen Modell überein und bestätigen somit die Effizienz und Stabilität des Modulators. Darüber hinaus haben die Forscher einen Verbesserungsplan entwickelt. Es wird erwartet, dass die Betriebsfrequenz dieses Modulators durch optimiertes Design zukünftig 1 THz überschreiten und sogar über 2 THz erreichen kann!
Diese Studie demonstriert das große Potenzial von Plasma.elektrooptische ModulatorenIn der Terahertz-Kommunikation und in photonischen integrierten Schaltungen (PICs) bietet dieses Bauelement mit seinen Eigenschaften wie Ultrabreitbandigkeit, hoher Effizienz und Integrationsfähigkeit eine völlig neue Lösung für die Terahertz-Signalmodulation. Mit der weiteren Optimierung von Design und Fertigungsprozessen wird die Betriebsfrequenz von Plasmamodulatoren voraussichtlich 2 Terahertz übersteigen und so höhere Datenraten und eine größere Spektrumabdeckung ermöglichen. Das Terahertz-Zeitalter bedeutet nicht nur schnellere Datenübertragung und präzisere Sensorik, sondern fördert auch die tiefe Integration verschiedener Bereiche wie drahtlose Kommunikation, optische Datenverarbeitung und intelligente Detektion. Der Durchbruch bei elektrooptischen Plasmamodulatoren könnte ein entscheidender Schritt für die Entwicklung der Terahertz-Technologie sein und die Grundlage für die Hochgeschwindigkeitsvernetzung der zukünftigen Informationsgesellschaft schaffen.
Veröffentlichungsdatum: 09.06.2025