FMCW用シリコン光変調器

シリコン光変調器FMCW向け

周知のとおり、FMCWベースのLidarシステムにおいて最も重要な構成要素の1つは、高線形変調器です。その動作原理を次の図に示します。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、wc+wm と WC-WM のサイドバンド上と下側で動作します。wm は変調周波数ですが、同時に下側チャネルに 90 度の位相差が導入され、最終的に WC-WM の光がキャンセルされ、wc+wm の周波数シフト項のみになります。図 b では、LR の青色はローカル FM チャープ信号、RX のオレンジ色は反射信号であり、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。

距離と速度は以下のとおりです。

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

MZMの性能は以下のとおりです。上腕部変調器と下腕部変調器の性能差は比較的大きいです。搬送波側波帯除去比は周波数変調率によって異なり、周波数が高くなるにつれてその影響は悪化します。

次の図は、Lidarシステムのテスト結果を示しており、a/bは同一速度で異なる距離におけるビート信号、c/dは同一距離で異なる速度におけるビート信号である。テスト結果は15mmと0.775m/sに達した。

ここではシリコンの応用のみ光変調器FMCWについて議論する。実際には、シリコン光変調器の効果は、LiNO3変調器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（下図参照）。

つまり、

出力電力の関係変調器システムは以下のとおりです。
その結果、高次のデチューニングが生じる。

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線形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のみを取り上げ、他の補助構造を用いた補償方式については触れません。
電圧に対する変調位相の非線形性の理由の一つは、導波路内の光場が重光と軽光の異なる分布を持ち、電圧の変化に伴う位相変化率が異なるためである。以下の図に示すように、重光干渉のある空乏領域の変化は、軽光干渉のある空乏領域の変化よりも小さい。

下図は、クラッタの集中度、すなわち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。クラッタが強い場合のデチューニングによる抑制能力は、クラッタが弱い場合よりも高いことがわかります。したがって、リミックスは線形性の向上に役立ちます。

上記は、MZMのRCモデルで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の効果より劣るわけではない。下の図に示すように、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よりも高い値が得られる。試験条件は一貫している。

要約すると、シリコン光変調器の構造設計は、根本的な解決ではなく、緩和することしかできず、FMCWシステムで実際に使用できるかどうかは実験的な検証が必要です。もし実際に使用できるのであれば、送受信機の統合を実現でき、大規模なコスト削減に有利になります。