ForschungsfortschritteDünnschicht-Lithiumniobat-elektrooptischer Modulator
Der elektrooptische Modulator ist ein Kernbauteil optischer Kommunikationssysteme und mikrowellenphotonischer Systeme. Er steuert die Lichtausbreitung im freien Raum oder in optischen Wellenleitern durch Änderung des Brechungsindex des Materials mittels eines angelegten elektrischen Feldes. Das traditionelle Lithiumniobat-Modulatormaterial ist ein Beispiel für die Verwendung von Lithiumniobat-Modulatoren.elektrooptischer ModulatorEs wird massives Lithiumniobat als elektrooptisches Material verwendet. Das einkristalline Lithiumniobat wird lokal durch Titandiffusion oder Protonenaustausch dotiert, um einen Wellenleiter zu bilden. Der Brechungsindexunterschied zwischen Kern- und Mantelschicht ist sehr gering, wodurch der Wellenleiter eine schwache Bindungsfähigkeit an das Lichtfeld aufweist. Die Gesamtlänge des gekapselten elektrooptischen Modulators beträgt üblicherweise 5–10 cm.
Die Lithiumniobat-auf-Isolator-Technologie (LNOI) bietet eine effektive Lösung für das Problem der großen Abmessungen von elektrooptischen Lithiumniobat-Modulatoren. Der Brechungsindexunterschied zwischen der Wellenleiterkernschicht und der Mantelschicht beträgt bis zu 0,7, was die optische Modenkopplung und die elektrooptische Regelungswirkung des Wellenleiters erheblich verbessert und sich zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich der elektrooptischen Modulatoren entwickelt hat.
Dank der Fortschritte in der Mikrobearbeitungstechnologie hat die Entwicklung von elektrooptischen Modulatoren auf Basis der LNOI-Plattform rasante Fortschritte gemacht, die sich durch kompaktere Bauweise und kontinuierliche Leistungsverbesserungen auszeichnen. Je nach verwendeter Wellenleiterstruktur lassen sich typische Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren in direkt geätzte Wellenleiter-Modulatoren und Hybrid-Modulatoren unterteilen.Wellenleitermodulatorenund hybride, in Silizium integrierte elektrooptische Wellenleitermodulatoren.
Die Verbesserung des Trockenätzverfahrens reduziert derzeit die Verluste von Lithiumniobat-Dünnschichtwellenleitern erheblich. Die Stegbeladungsmethode löst das Problem der hohen Ätzschwierigkeit und ermöglicht die Realisierung eines Lithiumniobat-elektrooptischen Modulators mit einer Halbwellenspannung von unter 1 V. Die Kombination mit der ausgereiften SOI-Technologie entspricht dem Trend der hybriden Photon-Elektron-Integration. Die Lithiumniobat-Dünnschichttechnologie bietet Vorteile bei der Realisierung verlustarmer, kleiner und breitbandiger integrierter elektrooptischer Modulatoren auf einem Chip. Theoretisch wird die Realisierung eines 3 mm dünnen Lithiumniobat-Push-Pull-Wellenleiters prognostiziert.M⁃Z-ModulatorDie 3-dB-elektrooptische Bandbreite kann bis zu 400 GHz erreichen, und die Bandbreite des experimentell hergestellten Lithiumniobat-Dünnschichtmodulators liegt bei etwas über 100 GHz, was noch weit vom theoretischen oberen Grenzwert entfernt ist. Die durch Optimierung der grundlegenden Strukturparameter erzielbare Verbesserung ist begrenzt. Zukünftig könnte die Leistung des Modulators durch die Erforschung neuer Mechanismen und Strukturen, wie beispielsweise die Verwendung einer segmentierten Mikrowellenelektrode anstelle einer Standard-Koplanarwellenleiterelektrode, weiter verbessert werden.
Darüber hinaus stellt die Realisierung integrierter Modulatorchip-Gehäuse und die heterogene On-Chip-Integration mit Lasern, Detektoren und anderen Bauelementen sowohl eine Chance als auch eine Herausforderung für die zukünftige Entwicklung von Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren dar. Dünnschicht-Lithiumniobat-Elektrooptikmodulatoren werden in der Mikrowellenphotonik, der optischen Kommunikation und weiteren Anwendungsgebieten eine immer wichtigere Rolle spielen.
Veröffentlichungsdatum: 07.04.2025