Silizium-optischer Modulatorfür FMCW
Wie wir alle wissen, ist der Hochlinearitätsmodulator eine der wichtigsten Komponenten in FMCW-basierten Lidar-Systemen. Sein Funktionsprinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt: VerwendungDP-IQ-ModulatorbasierendEinseitenbandmodulation (SSB), die obere und die untereMZMDie Arbeit erfolgt am Nullpunkt, entlang der Haupt- und Nebenbande von wc+wm und WC-WM. wm ist die Modulationsfrequenz. Gleichzeitig führt der untere Kanal eine Phasenverschiebung von 90 Grad ein, wodurch das Licht von WC-WM schließlich ausgelöscht wird und nur noch die Frequenzverschiebung von wc+wm übrig bleibt. In Abbildung b ist LR (blau) das lokale FM-Chirp-Signal, RX (orange) das reflektierte Signal. Aufgrund des Doppler-Effekts entstehen die resultierenden Schwebungssignale f1 und f2.
Die Entfernung und die Geschwindigkeit sind:
Im Folgenden finden Sie einen Artikel, der 2021 von der Shanghai Jiaotong Universität veröffentlicht wurde und sich mit folgendem Thema befasst:SSBGeneratoren, die FMCW auf Basis vonSilizium-Lichtmodulatoren.
Die Leistungsfähigkeit des Mach-Zehnder-Modulators (MZM) lässt sich wie folgt darstellen: Der Leistungsunterschied zwischen oberem und unterem Modulatorarm ist relativ groß. Das Trägerseitenbandunterdrückungsverhältnis variiert mit der Frequenzmodulationsrate und verschlechtert sich mit steigender Frequenz.
Die folgende Abbildung zeigt die Testergebnisse des Lidar-Systems. Dargestellt sind die Überlagerungssignale a/b bei gleicher Geschwindigkeit und unterschiedlichen Entfernungen sowie c/d bei gleicher Entfernung und unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Testergebnisse erreichten Werte von 15 mm und 0,775 m/s.
Hierbei geht es ausschließlich um die Anwendung von Siliziumoptischer ModulatorDie FMCW-Technologie wird diskutiert. In der Realität ist die Wirkung von Silizium-Lichtmodulatoren nicht so gut wie die von …LiNO3-Modulatorhauptsächlich deshalb, weil bei optischen Siliziummodulatoren die Phasenänderung/der Absorptionskoeffizient/die Sperrschichtkapazität nichtlinear mit der Spannungsänderung korreliert, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
Das heißt,
Die Ausgangsleistungsbeziehung derModulatorDas System ist wie folgt aufgebaut:
Das Ergebnis ist eine Verstimmung hoher Ordnung:
Dies führt zu einer Verbreiterung des Schwebungsfrequenzsignals und einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Wie lässt sich also die Linearität des Silizium-Lichtmodulators verbessern? Wir betrachten hier ausschließlich die Eigenschaften des Bauelements selbst und gehen nicht auf Kompensationsmechanismen mit zusätzlichen Strukturen ein.
Einer der Gründe für die Nichtlinearität der Modulationsphase in Abhängigkeit von der Spannung liegt darin, dass das Lichtfeld im Wellenleiter unterschiedliche Verteilungen schwerer und leichter Parameter aufweist und die Phasenänderungsrate sich mit der Spannungsänderung ändert. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Verarmungszone ändert sich bei starker Interferenz weniger stark als bei leichter Interferenz.
Die folgende Abbildung zeigt die Kurvenverläufe der Intermodulationsverzerrung dritter Ordnung (TID) und der harmonischen Verzerrung zweiter Ordnung (SHD) in Abhängigkeit von der Störintensität, d. h. der Modulationsfrequenz. Es ist ersichtlich, dass die Unterdrückung der Verstimmung bei starker Störintensität höher ist als bei schwacher. Daher trägt das Remixing zur Verbesserung der Linearität bei.
Das oben Genannte entspricht der Betrachtung von C im RC-Modell des Mach-Zehnder-Modulators (MZM), wobei der Einfluss von R ebenfalls berücksichtigt werden sollte. Die folgende Kurve zeigt die Änderung von CDR3 in Abhängigkeit vom Serienwiderstand. Es ist ersichtlich, dass CDR3 umso größer ist, je kleiner der Serienwiderstand ist.
Nicht zuletzt ist die Wirkung des Siliziummodulators nicht unbedingt schlechter als die von LiNbO3. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, ist CDR3 desSiliziummodulatorWird im Fall der Volllast durch eine geeignete Auslegung der Modulatorstruktur und -länge höher sein als der von LiNbO3. Die Testbedingungen bleiben konstant.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die strukturellen Schwächen des Silizium-Lichtmodulators lediglich abgemildert, aber nicht behoben werden können. Ob er tatsächlich im FMCW-System eingesetzt werden kann, muss experimentell überprüft werden. Sollte dies der Fall sein, kann er in den Transceiver integriert werden, was Vorteile hinsichtlich einer erheblichen Kostenreduzierung mit sich bringt.
Veröffentlichungsdatum: 18. März 2024