Forschungsfortschritt vonDünnschicht-Lithiumniobat-elektrooptischer Modulator
Der elektrooptische Modulator ist das Kernstück optischer Kommunikationssysteme und Mikrowellenphotoniksysteme. Er reguliert die Lichtausbreitung im freien Raum oder in optischen Wellenleitern, indem er den Brechungsindex des Materials durch das angelegte elektrische Feld verändert. Das traditionelle Lithiumniobatelektrooptischer Modulatorverwendet massives Lithiumniobat als elektrooptisches Material. Das einkristalline Lithiumniobat wird lokal dotiert, um durch Titandiffusion oder Protonenaustausch einen Wellenleiter zu bilden. Der Brechungsindexunterschied zwischen Kernschicht und Mantelschicht ist sehr gering, und der Wellenleiter weist eine schlechte Bindungsfähigkeit an das Lichtfeld auf. Die Gesamtlänge des verpackten elektrooptischen Modulators beträgt üblicherweise 5–10 cm.
Die Lithiumniobat-auf-Isolator-Technologie (LNOI) bietet eine effektive Lösung für das Problem der großen Abmessungen elektrooptischer Lithiumniobat-Modulatoren. Der Brechungsindexunterschied zwischen der Kernschicht des Wellenleiters und der Mantelschicht beträgt bis zu 0,7, was die optische Modenbindungsfähigkeit und den elektrooptischen Regelungseffekt des Wellenleiters deutlich verbessert und zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich elektrooptischer Modulatoren geworden ist.
Dank der Fortschritte in der Mikrobearbeitungstechnologie hat die Entwicklung elektrooptischer Modulatoren auf Basis der LNOI-Plattform rasante Fortschritte gemacht. Der Trend geht zu kompakterer Bauweise und kontinuierlicher Leistungssteigerung. Je nach verwendeter Wellenleiterstruktur sind die typischen elektrooptischen Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren direkt geätzte Wellenleiter-elektrooptische Modulatoren, geladene Hybrid-Wellenleitermodulatorenund hybride Silizium-integrierte elektrooptische Wellenleitermodulatoren.
Die Verbesserung des Trockenätzverfahrens reduziert den Verlust von Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleitern deutlich. Das Ridge-Loading-Verfahren löst das Problem des hohen Ätzprozesses und ermöglicht die Realisierung eines elektrooptischen Lithiumniobat-Modulators mit einer Spannung von weniger als 1 V Halbwelle. Die Kombination mit ausgereifter SOI-Technologie entspricht dem Trend zur Photonen- und Elektronen-Hybridintegration. Die Dünnschicht-Lithiumniobat-Technologie bietet Vorteile bei der Realisierung von verlustarmen, kompakten und breitbandigen integrierten elektrooptischen Modulatoren auf einem Chip. Theoretisch wird prognostiziert, dass der 3 mm dünne Lithiumniobat-GegentaktM⁃Z-ModulatorDie elektrooptische Bandbreite von 3 dB kann bis zu 400 GHz erreichen. Die Bandbreite des experimentell hergestellten Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulators liegt Berichten zufolge knapp über 100 GHz und ist damit noch weit von der theoretischen Obergrenze entfernt. Die durch die Optimierung der grundlegenden Strukturparameter erzielten Verbesserungen sind begrenzt. Zukünftig könnte die Leistung des Modulators durch die Erforschung neuer Mechanismen und Strukturen, beispielsweise durch die Ausgestaltung der Standard-Koplanar-Wellenleiterelektrode als segmentierte Mikrowellenelektrode, weiter verbessert werden.
Darüber hinaus stellt die Realisierung integrierter Modulatorchip-Gehäuse und die heterogene On-Chip-Integration mit Lasern, Detektoren und anderen Geräten sowohl eine Chance als auch eine Herausforderung für die zukünftige Entwicklung von Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren dar. Dünnschicht-Lithiumniobat-elektrooptische Modulatoren werden in der Mikrowellenphotonen- und optischen Kommunikation und anderen Bereichen eine immer wichtigere Rolle spielen.
Beitragszeit: 07.04.2025