FMCW用シリコン光変調器

シリコン光変調器FMCW向け

ご存知の通り、FMCWベースのライダーシステムにおいて最も重要なコンポーネントの一つは、高直線性変調器です。その動作原理は次の図に示されています。DP-IQ変調器ベース単側波帯変調（SSB）、上部と下部MZMヌルポイントで動作し、路上およびWC+WMとWC-WMの側波帯に沿って進みます。WMは変調周波数ですが、同時に下側のチャネルは90度の位相差を導入し、最終的にWC-WMの光は打ち消され、WC+WMの周波数シフト項のみが残ります。図bでは、LR（青）はローカルFMチャープ信号、RX（オレンジ）は反射信号であり、ドップラー効果により最終的なビート信号はf1とf2を生成します。

距離と速度は次のとおりです。

以下は上海交通大学が2021年に発表した記事です。SSBFMCWを実装した発電機シリコン光変調器.

MZMの性能は以下のとおりです。上アーム変調器と下アーム変調器の性能差は比較的大きく、搬送波側波帯除去比は周波数変調速度によって異なり、周波数が高くなるほど効果は悪化します。

下図のLiDARシステムのテスト結果では、a/bは同じ速度で異なる距離におけるビート信号、c/dは同じ距離で異なる速度におけるビート信号を示しています。テスト結果は15mm、0.775m /sに達しました。

ここではシリコンの応用のみ光変調器FMCWの効果が議論されているが、実際にはシリコン光変調器の効果はLiNO3変調器これは主に、シリコン光変調器では、位相変化/吸収係数/接合容量が電圧変化に対して非線形であるためです（下図を参照）。

つまり、

出力電力の関係は変調器システムは次のとおりです
結果は高次のデチューニングになります。

これらはビート周波数信号の広がりと信号対雑音比の低下を引き起こします。では、シリコン光変調器の直線性を改善するにはどうすればよいでしょうか？ここではデバイス自体の特性についてのみ議論し、他の補助構造を用いた補償方式については議論しません。
電圧に対する変調位相の非線形性が生じる理由の一つは、導波路内の光場における重干渉と軽干渉のパラメータ分布が異なり、電圧変化に対する位相変化率が異なることです。下図に示すように、重干渉による空乏領域の変化は、軽干渉による空乏領域の変化よりも小さくなります。

下図は、クラッターの濃度、つまり変調周波数に対する3次相互変調歪み（TID）と2次高調波歪み（SHD）の変化曲線を示しています。クラッターの濃度が高い場合、デチューニングの抑圧能力はクラッターの濃度が低い場合よりも高いことがわかります。つまり、リミキシングは直線性の改善に役立ちます。

上記はMZMのRCモデルにおいてCを考慮することと同等であり、Rの影響も考慮する必要があります。以下は直列抵抗に対するCDR3の変化曲線です。直列抵抗が小さいほど、CDR3が大きくなることがわかります。

最後に、シリコン変調器の効果は必ずしもLiNbO3よりも劣るわけではない。下の図に示すように、CDR3はシリコン変調器変調器の構造と長さを適切に設計することで、フルバイアス時のLiNbO3よりも高い変調度が得られます。試験条件は一定です。

要約すると、シリコン光変調器の構造設計は、解決することはできず、緩和することしかできず、それが本当に FMCW システムで使用できるかどうかは実験による検証が必要ですが、実際に使用できる場合は、トランシーバーの統合を実現でき、大規模なコスト削減に有利です。