Einführung in die Struktur und Leistungsfähigkeit vonDünnschicht-Lithiumniobat-elektrooptischer Modulator
An elektrooptischer Modulatorbasierend auf unterschiedlichen Strukturen, Wellenlängen und Plattformen von Lithiumniobat-Dünnschichten sowie einem umfassenden Leistungsvergleich verschiedener TypenEOM-Modulatorensowie eine Analyse der Forschung und Anwendung vonDünnschicht-Lithiumniobat-Modulatorenin anderen Bereichen.
1. Nichtresonanter Hohlraum-Dünnschichtmodulator aus Lithiumniobat
Dieser Modulatortyp basiert auf dem hervorragenden elektrooptischen Effekt von Lithiumniobatkristallen und ist ein Schlüsselbauelement für die optische Hochgeschwindigkeits- und Weitstreckenkommunikation. Es gibt drei Hauptstrukturen:
1.1 Wanderwellen-Elektroden-MZI-Modulator: Dies ist die typischste Bauform. Die Forschungsgruppe von Lončar an der Harvard University erreichte 2018 erstmals eine Hochleistungsversion. Zu den nachfolgenden Verbesserungen zählen kapazitive Belastung auf Basis von Quarzsubstraten (hohe Bandbreite, aber inkompatibel mit Siliziumsubstraten) sowie Siliziumkompatibilität durch Substrataushöhlung, wodurch eine hohe Bandbreite (>67 GHz) und die Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen (z. B. 112 Gbit/s PAM4) erreicht werden.
1.2 Faltbarer MZI-Modulator: Um die Gerätegröße zu verkürzen und sich an kompakte Module wie QSFP-DD anzupassen, werden Polarisationsbehandlung, Kreuzwellenleiter oder invertierte Mikrostrukturelektroden verwendet, um die Gerätelänge um die Hälfte zu reduzieren und eine Bandbreite von 60 GHz zu erreichen.
1.3 Kohärenter orthogonaler (IQ-)Modulator mit einfacher/doppelter Polarisation: Nutzt ein Modulationsverfahren höherer Ordnung zur Steigerung der Übertragungsrate. Die Forschungsgruppe um Cai an der Sun-Yat-sen-Universität realisierte 2020 den ersten On-Chip-IQ-Modulator mit einfacher Polarisation. Zukünftig entwickelte IQ-Modulatoren mit doppelter Polarisation weisen eine noch bessere Leistung auf; die auf Quarzsubstrat basierende Version erreichte einen Rekordwert von 1,96 Tbit/s für die Übertragungsrate bei einer einzelnen Wellenlänge.
2. Resonator-Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator
Zur Realisierung von Modulatoren mit extrem kleiner und großer Bandbreite stehen verschiedene Resonanzhohlraumstrukturen zur Verfügung:
2.1 Photonischer Kristall (PC) und Mikro-Ringmodulator: Die Forschungsgruppe von Lin an der Universität Rochester hat den ersten Hochleistungs-Photonischen-Kristall-Modulator entwickelt. Darüber hinaus wurden Mikro-Ringmodulatoren auf Basis heterogener und homogener Integration von Silizium-Lithiumniobat vorgeschlagen, die Bandbreiten von mehreren GHz erreichen.
2.2 Bragg-Gitter-Resonatormodulatoren: Dazu gehören Fabry-Perot-Resonatoren (FP), Wellenleiter-Bragg-Gitter (WBG) und Modulatoren mit langsamer Lichtausbreitung (SL). Diese Strukturen sind so konzipiert, dass sie Größe, Fertigungstoleranzen und Leistung optimal ausbalancieren. Beispielsweise erreicht ein 2 × 2 FP-Resonatormodulator eine extrem hohe Bandbreite von über 110 GHz. Der auf gekoppelten Bragg-Gittern basierende Modulator mit langsamer Lichtausbreitung erweitert den Arbeitsbereich der Bandbreite.
3. Heterogener integrierter Lithiumniobat-Dünnschichtmodulator
Es gibt drei Hauptintegrationsmethoden, um die Kompatibilität der CMOS-Technologie auf siliziumbasierten Plattformen mit der hervorragenden Modulationsleistung von Lithiumniobat zu kombinieren:
3.1 Heterogene Integration mittels Bondierung: Durch direktes Bonden mit Benzocyclobuten (BCB) oder Siliziumdioxid wird Lithiumniobat-Dünnschicht auf eine Silizium- oder Siliziumnitrid-Plattform übertragen. Dies ermöglicht eine Wafer-Level-Integration mit hoher Temperaturstabilität. Der Modulator zeichnet sich durch eine hohe Bandbreite (>70 GHz, teilweise über 110 GHz) und eine hohe Signalübertragungsgeschwindigkeit aus.
3.2 Heterogene Integration von Wellenleitermaterialien durch Abscheidung: Durch die Abscheidung von Silizium oder Siliziumnitrid auf einem dünnen Lithiumniobatfilm als Lastwellenleiter wird ebenfalls eine effiziente elektrooptische Modulation erreicht.
3.3 Heterogene Integration mittels Mikrotransferdruck (μTP): Diese Technologie, die voraussichtlich in der Massenproduktion eingesetzt wird, überträgt vorgefertigte Funktionsbauelemente mithilfe hochpräziser Anlagen auf Zielchips und vermeidet so aufwendige Nachbearbeitungsschritte. Sie wurde bereits erfolgreich auf Siliziumnitrid- und Silizium-basierten Plattformen angewendet und erreicht Bandbreiten im Bereich von mehreren zehn GHz.
Zusammenfassend skizziert dieser Artikel systematisch die technologische Roadmap von elektrooptischen Modulatoren auf Basis von Lithiumniobat-Dünnschichtplattformen. Er beleuchtet die Entwicklung leistungsstarker und breitbandiger nichtresonanter Hohlraumstrukturen, erforscht miniaturisierte resonante Hohlraumstrukturen und integriert diese in etablierte photonische Plattformen auf Siliziumbasis. Der Artikel demonstriert das enorme Potenzial und die kontinuierlichen Fortschritte von Lithiumniobat-Dünnschichtmodulatoren, die die Leistungsgrenzen traditioneller Modulatoren überwinden und die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation ermöglichen.
Veröffentlichungsdatum: 31. März 2026