Hoogwaardige elektro-optische modulator: dunnefilm lithiumniobaatmodulator

Hoogwaardige elektro-optische modulator:dunnefilm lithiumniobaatmodulator

Een elektro-optische modulator (EOM-modulatorEen modulator maakt gebruik van het elektro-optische effect van bepaalde elektro-optische kristallen. Deze modulator kan snelle elektronische signalen in communicatieapparatuur omzetten in optische signalen. Wanneer het elektro-optische kristal wordt blootgesteld aan een elektrisch veld, verandert de brekingsindex van het kristal en daarmee ook de optische golfkarakteristieken. Hierdoor worden de amplitude, fase en polarisatie van het optische signaal gemoduleerd, waardoor het snelle elektronische signaal in de communicatieapparatuur via modulatie wordt omgezet in een optisch signaal.

Momenteel zijn er drie hoofdtypen.elektro-optische modulatorenOp de markt verkrijgbaar: modulatoren op siliciumbasis, indiumfosfide-modulatoren en dunnefilmmodulatoren.lithiumniobaatmodulatorVan deze materialen heeft silicium geen directe elektro-optische coëfficiënt, de prestaties zijn algemener en het is alleen geschikt voor de productie van modulatoren voor datatransmissie over korte afstanden. Indiumfosfide is weliswaar geschikt voor transceivermodules voor optische communicatienetwerken over middellange tot lange afstanden, maar de eisen aan het integratieproces zijn extreem hoog, de kosten zijn relatief hoog en de toepassingsmogelijkheden zijn beperkt. Lithiumniobaatkristallen daarentegen zijn niet alleen rijk aan foto-elektrische effecten, maar hebben ook een fotorefractief effect, een niet-lineair effect, een elektro-optisch effect, een akoestisch optisch effect, een piëzo-elektrisch effect en een thermo-elektrisch effect. Dankzij de roosterstructuur en de rijke defectstructuur kunnen veel eigenschappen van lithiumniobaat sterk worden gereguleerd door de kristalsamenstelling, elementdoping, controle van de valentietoestand, enzovoort. Dit resulteert in superieure foto-elektrische prestaties, zoals een elektro-optische coëfficiënt tot 30,9 pm/V, aanzienlijk hoger dan die van indiumfosfide, en een klein chirp-effect (chirp-effect: het fenomeen waarbij de frequentie binnen de puls verandert met de tijd tijdens het transmissieproces van de laserpuls. Een groter chirp-effect resulteert in een lagere signaal-ruisverhouding en een niet-lineair effect), een goede extinctieverhouding (de gemiddelde vermogensverhouding van het signaal in de "aan"-toestand ten opzichte van de "uit"-toestand) en een superieure apparaatstabiliteit. Bovendien verschilt het werkingsmechanisme van de dunnefilm-lithiumniobaatmodulator van dat van de siliciumgebaseerde modulator en de indiumfosfidemodulator die gebruikmaken van niet-lineaire modulatiemethoden. De lithiumniobaatmodulator maakt gebruik van een lineair elektro-optisch effect om het elektrisch gemoduleerde signaal op de optische drager te laden, waarbij de modulatiesnelheid voornamelijk wordt bepaald door de prestaties van de microgolfelektrode. Hierdoor kunnen een hogere modulatiesnelheid en lineariteit, evenals een lager energieverbruik, worden bereikt. Op basis hiervan is lithiumniobaat een ideale keuze voor de productie van hoogwaardige elektro-optische modulatoren, die een breed scala aan toepassingen hebben in 100G/400G coherente optische communicatienetwerken en ultrasnelle datacenters, en waarmee transmissieafstanden van meer dan 100 kilometer kunnen worden bereikt.

Lithiumniobaat, als baanbrekend materiaal in de "fotonrevolutie", heeft weliswaar veel voordelen ten opzichte van silicium en indiumfosfide, maar wordt in apparaten vaak als bulkmateriaal gebruikt. Het licht wordt dan beperkt tot de vlakke golfgeleider die wordt gevormd door ionendiffusie of protonenuitwisseling. Het verschil in brekingsindex is doorgaans relatief klein (ongeveer 0,02), waardoor de afmetingen van de apparaten relatief groot zijn. Dit maakt miniaturisatie en integratie lastig.optische apparatenDe productielijn ervan verschilt nog steeds van de daadwerkelijke micro-elektronicaproductielijn en er is een probleem met de hoge kosten. Daarom is de vorming van dunne films een belangrijke ontwikkelingsrichting voor lithiumniobaat dat wordt gebruikt in elektro-optische modulatoren.