Szybki modulator elektrooptyczny z tantalanu litu (LTOI)

Tantalan litu (LTOI) o dużej prędkościmodulator elektrooptyczny

Globalny ruch danych stale rośnie, napędzany powszechnym wdrażaniem nowych technologii, takich jak 5G i sztuczna inteligencja (AI), co stwarza poważne wyzwania dla transceiverów na wszystkich poziomach sieci optycznych. W szczególności technologia modulatorów elektrooptycznych nowej generacji wymaga znacznego zwiększenia szybkości transmisji danych do 200 Gb/s w pojedynczym kanale, przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii i kosztów. W ciągu ostatnich kilku lat technologia fotoniki krzemowej była szeroko stosowana na rynku transceiverów optycznych, głównie ze względu na fakt, że fotonikę krzemową można produkować masowo przy użyciu dojrzałego procesu CMOS. Jednak modulatory elektrooptyczne SOI, które opierają się na dyspersji nośnych, stoją przed dużymi wyzwaniami pod względem szerokości pasma, poboru mocy, absorpcji swobodnych nośnych i nieliniowości modulacji. Inne technologie w branży obejmują InP, cienkowarstwowy niobian litu LNOI, polimery elektrooptyczne i inne wieloplatformowe heterogeniczne rozwiązania integracyjne. LNOI jest uważany za rozwiązanie, które może osiągnąć najlepszą wydajność w ultrawysokiej prędkości i modulacji niskiego poboru mocy, jednak obecnie napotyka na pewne trudności związane z procesem masowej produkcji i kosztami. Niedawno zespół wprowadził na rynek zintegrowaną platformę fotoniczną z cienkowarstwowego tantalanu litu (LTOI) o doskonałych właściwościach fotoelektrycznych i przeznaczoną do produkcji na dużą skalę, która ma dorównać, a nawet przewyższyć wydajność platform optycznych z niobianu litu i krzemu w wielu zastosowaniach. Jednak do tej pory głównym urządzeniemkomunikacja optyczna, ultraszybki modulator elektrooptyczny, nie został zweryfikowany w LTOI.

W tym badaniu naukowcy najpierw zaprojektowali modulator elektrooptyczny LTOI, którego strukturę pokazano na rysunku 1. Poprzez zaprojektowanie struktury każdej warstwy tantalanu litu na izolatorze i parametrów elektrody mikrofalowej, dopasowanie prędkości propagacji mikrofal i fali świetlnej wmodulator elektrooptycznyZostało to zrealizowane. Aby zmniejszyć straty w elektrodzie mikrofalowej, badacze w tej pracy po raz pierwszy zaproponowali zastosowanie srebra jako materiału elektrodowego o lepszej przewodności. Wykazano, że srebrna elektroda zmniejsza straty w mikrofalach do 82% w porównaniu z powszechnie stosowaną elektrodą złotą.

RYS. 1 Struktura modulatora elektrooptycznego LTOI, konstrukcja dopasowania fazowego, test strat elektrody mikrofalowej.

Rys. 2 przedstawia aparat eksperymentalny i wyniki modulatora elektrooptycznego LTOI dlamodulacja intensywnościDetekcja bezpośrednia (IMDD) w systemach komunikacji optycznej. Eksperymenty pokazują, że modulator elektrooptyczny LTOI może transmitować sygnały PAM8 z szybkością transmisji 176 GBd przy zmierzonym współczynniku BER wynoszącym 3,8×10⁻² poniżej progu 25% SD-FEC. Zarówno dla PAM4 200 GBd, jak i PAM2 208 GBd, współczynnik BER był znacznie niższy niż progi 15% SD-FEC i 7% HD-FEC. Wyniki testu wzrokowego i histogramu przedstawione na rysunku 3 wyraźnie pokazują, że modulator elektrooptyczny LTOI może być stosowany w szybkich systemach komunikacji o wysokiej liniowości i niskiej stopie błędów bitowych.

Rys. 2 Eksperyment z wykorzystaniem modulatora elektrooptycznego LTOIModulacja intensywnościBezpośrednia detekcja (IMDD) w systemie komunikacji optycznej (a) urządzenie eksperymentalne; (b) Zmierzony współczynnik błędów bitowych (BER) sygnałów PAM8 (czerwony), PAM4 (zielony) i PAM2 (niebieski) jako funkcja współczynnika znaku; (c) Wyodrębniona użyteczna szybkość transmisji informacji (AIR, linia przerywana) i powiązana z nią szybkość transmisji danych netto (NDR, linia ciągła) dla pomiarów z wartościami współczynnika błędów bitowych poniżej 25% limitu SD-FEC; (d) Mapy oka i histogramy statystyczne przy modulacji PAM2, PAM4, PAM8.

Niniejsza praca demonstruje pierwszy szybki modulator elektrooptyczny LTOI o szerokości pasma 3 dB i częstotliwości 110 GHz. W eksperymentach z transmisją IMDD z bezpośrednią detekcją modulacji intensywności, urządzenie osiąga przepływność netto pojedynczej nośnej wynoszącą 405 Gb/s, co jest porównywalne z najlepszymi osiągami istniejących platform elektrooptycznych, takich jak LNOI i modulatory plazmowe. W przyszłości, przy użyciu bardziej złożonychModulator IQOczekuje się, że dzięki nowym konstrukcjom lub bardziej zaawansowanym technikom korekcji błędów sygnału, a także zastosowaniu podłoży o niższych stratach mikrofalowych, takich jak podłoża kwarcowe, urządzenia z tantalanu litu będą osiągać prędkość komunikacji na poziomie 2 Tb/s lub wyższą. W połączeniu z konkretnymi zaletami technologii LTOI, takimi jak niższa dwójłomność i efekt skali wynikający z jej szerokiego zastosowania w innych rynkach filtrów RF, technologia fotoniki z tantalanu litu zapewni tanie, energooszczędne i ultraszybkie rozwiązania dla sieci komunikacji optycznej nowej generacji i systemów fotoniki mikrofalowej.