Inleiding tot de structuur en prestaties vanDunnefilm lithiumniobaat elektro-optische modulator
An elektro-optische modulatorgebaseerd op verschillende structuren, golflengten en platforms van dunne lithiumniobaatfilms, en een uitgebreide prestatievergelijking van verschillende typenEOM-modulatoren, evenals een analyse van het onderzoek naar en de toepassing vandunnefilm lithiumniobaatmodulatorenop andere gebieden.
1. Niet-resonante holte dunnefilm lithiumniobaat modulator
Dit type modulator is gebaseerd op het uitstekende elektro-optische effect van lithiumniobaatkristal en is een essentieel onderdeel voor het realiseren van snelle optische communicatie over lange afstanden. Er zijn drie hoofdstructuren:
1.1 MZI-modulator met lopende golfelektrode: Dit is het meest gangbare ontwerp. De onderzoeksgroep van Lončar aan de Harvard University realiseerde in 2018 voor het eerst een hoogwaardige versie, met daaropvolgende verbeteringen zoals capacitieve belasting op basis van kwartssubstraten (hoge bandbreedte, maar incompatibel met siliciumgebaseerde systemen) en siliciumgebaseerde compatibiliteit door het uithollen van het substraat, waarmee een hoge bandbreedte (>67 GHz) en snelle signaaloverdracht (zoals 112 Gbit/s PAM4) werden bereikt.
1.2 Opvouwbare MZI-modulator: Om de afmetingen van het apparaat te verkleinen en het geschikt te maken voor compacte modules zoals QSFP-DD, worden polarisatiebehandeling, kruisgolfgeleiders of omgekeerde microstructuurelektroden gebruikt om de lengte van het apparaat te halveren en een bandbreedte van 60 GHz te bereiken.
1.3 Coherente orthogonale modulator (IQ) met enkelvoudige/dubbele polarisatie: Maakt gebruik van een modulatieformaat van hogere orde om de transmissiesnelheid te verbeteren. De onderzoeksgroep van Cai aan de Sun Yat-sen Universiteit realiseerde in 2020 de eerste on-chip IQ-modulator met enkelvoudige polarisatie. De in de toekomst ontwikkelde IQ-modulator met dubbele polarisatie presteert beter, en de versie op basis van een kwartssubstraat heeft een record gevestigd voor de transmissiesnelheid van 1,96 Tbit/s voor één golflengte.
2. Resonantieholte-type dunnefilm lithiumniobaat-modulator
Om ultrakleine en breedbandmodulatoren te realiseren, zijn er verschillende resonantieholtestructuren beschikbaar:
2.1 Fotonisch kristal (PC) en microringmodulator: De onderzoeksgroep van Lin aan de Universiteit van Rochester heeft de eerste hoogwaardige fotonische kristalmodulator ontwikkeld. Daarnaast zijn er ook microringmodulatoren voorgesteld, gebaseerd op heterogene en homogene integratie van siliciumlithiumniobaat, waarmee bandbreedtes van enkele GHz worden bereikt.
2.2 Bragg-rooster resonantieholtemodulator: inclusief Fabry-Perot (FP)-holte, golfgeleider Bragg-rooster (WBG) en slow light (SL)-modulator. Deze structuren zijn ontworpen om een balans te vinden tussen grootte, procestoleranties en prestaties. Zo bereikt een 2 × 2 FP-resonantieholtemodulator een ultragrote bandbreedte van meer dan 110 GHz. De slow light-modulator op basis van een gekoppeld Bragg-rooster vergroot het werkingsbandbreedtebereik.
3. Heterogene geïntegreerde dunnefilm-lithiumniobaatmodulator
Er zijn drie belangrijke integratiemethoden om de compatibiliteit van CMOS-technologie op siliciumgebaseerde platforms te combineren met de uitstekende modulatieprestaties van lithiumniobaat:
3.1 Heterogene integratie met bindingstype: Door directe binding met benzocyclobuteen (BCB) of siliciumdioxide wordt een dunne lithiumniobaatfilm overgebracht naar een silicium- of siliciumnitrideplatform, waardoor een wafer-niveau, temperatuurstabiele integratie wordt bereikt. De modulator vertoont een hoge bandbreedte (>70 GHz, zelfs meer dan 110 GHz) en een hoge signaaloverdrachtssnelheid.
3.2 Heterogene integratie van afgezette golfgeleidermaterialen: het afzetten van silicium of siliciumnitride op een dunne lithiumniobaatfilm als belastingsgolfgeleider zorgt ook voor efficiënte elektro-optische modulatie.
3.3 Microtransferprinten (μTP) heterogene integratie: Deze technologie zal naar verwachting worden gebruikt voor grootschalige productie. Hierbij worden geprefabriceerde functionele componenten via zeer nauwkeurige apparatuur overgebracht naar doelchips, waardoor complexe nabewerking overbodig wordt. De technologie is succesvol toegepast op siliciumnitride- en siliciumgebaseerde platforms, waarbij bandbreedtes van tientallen GHz zijn bereikt.
Samenvattend schetst dit artikel systematisch de technologische routekaart van elektro-optische modulatoren gebaseerd op dunnefilm lithiumniobaatplatformen, van het nastreven van hoogwaardige niet-resonante holtestructuren met een grote bandbreedte, het verkennen van geminiaturiseerde resonante holtestructuren, tot de integratie met volwaardige siliciumgebaseerde fotonische platforms. Het toont het enorme potentieel en de voortdurende vooruitgang van dunnefilm lithiumniobaatmodulatoren aan in het doorbreken van de prestatieknelpunten van traditionele modulatoren en het realiseren van snelle optische communicatie.
Geplaatst op: 31 maart 2026