Tantalan litu (LTOI) szybki modulator elektrooptyczny

Tantalan litu (LTOI) o dużej prędkościmodulator elektrooptyczny

Globalny przepływ danych stale rośnie, napędzany powszechnym przyjęciem nowych technologii, takich jak 5G i sztuczna inteligencja (AI), co stwarza poważne wyzwania dla urządzeń nadawczo-odbiorczych na wszystkich poziomach sieci optycznych. W szczególności technologia modulatora elektrooptycznego nowej generacji wymaga znacznego zwiększenia szybkości przesyłania danych do 200 Gb/s w jednym kanale, przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii i kosztów. W ciągu ostatnich kilku lat technologia fotoniki krzemowej znalazła szerokie zastosowanie na rynku transceiverów optycznych, głównie ze względu na fakt, że fotonika krzemowa może być produkowana masowo przy użyciu dojrzałego procesu CMOS. Jednakże modulatory elektrooptyczne SOI, które opierają się na dyspersji nośnej, stoją przed dużymi wyzwaniami w zakresie przepustowości, zużycia energii, absorpcji swobodnej nośnej i nieliniowości modulacji. Inne ścieżki technologiczne w branży obejmują InP, cienkowarstwowy niobian litu LNOI, polimery elektrooptyczne i inne wieloplatformowe heterogeniczne rozwiązania integracyjne. Uważa się, że LNOI jest rozwiązaniem, które może osiągnąć najlepszą wydajność w przypadku ultrawysokiej prędkości i modulacji małej mocy, jednak obecnie wiąże się z pewnymi wyzwaniami w zakresie procesu produkcji masowej i kosztów. Niedawno zespół uruchomił cienkowarstwową zintegrowaną platformę fotoniczną z tantalianem litu (LTOI) o doskonałych właściwościach fotoelektrycznych i produkcji na dużą skalę, która ma dorównać lub nawet przewyższyć wydajność platform optycznych z niobianu litu i krzemu w wielu zastosowaniach. Jednak do tej pory podstawowym urządzeniemkomunikacja optyczna, ultraszybki modulator elektrooptyczny, nie został zweryfikowany w LTOI.

W tym badaniu badacze najpierw zaprojektowali modulator elektrooptyczny LTOI, którego strukturę pokazano na rysunku 1. Poprzez projektowanie struktury każdej warstwy tantalanu litu na izolatorze oraz parametry elektrody mikrofalowej, propagacja Dopasowanie prędkości mikrofal i fali świetlnej wmodulator elektrooptycznyjest realizowany. Jeśli chodzi o zmniejszenie strat elektrody mikrofalowej, badacze w tej pracy po raz pierwszy zaproponowali zastosowanie srebra jako materiału elektrody o lepszej przewodności i wykazano, że elektroda srebrna zmniejsza straty mikrofal do 82% w porównaniu do elektrody powszechnie stosowana złota elektroda.

FIGA. 1 Struktura modulatora elektrooptycznego LTOI, projekt dopasowania fazowego, test strat elektrody mikrofalowej.

FIGA. 2 przedstawiono aparaturę eksperymentalną i wyniki działania modulatora elektrooptycznego LTOIintensywność modulowanadetekcja bezpośrednia (IMDD) w systemach komunikacji optycznej. Eksperymenty pokazują, że modulator elektrooptyczny LTOI może przesyłać sygnały PAM8 z szybkością znaku 176 GBd przy zmierzonym BER wynoszącym 3,8 × 10⁻² poniżej progu SD-FEC 25%. Zarówno w przypadku 200 GBd PAM4, jak i 208 GBd PAM2, BER był znacznie niższy niż próg 15% SD-FEC i 7% HD-FEC. Wyniki testu oka i histogramu na rysunku 3 wizualnie pokazują, że modulator elektrooptyczny LTOI może być stosowany w szybkich systemach komunikacyjnych o wysokiej liniowości i niskim współczynniku błędów bitowych.

FIGA. 2 Eksperyment z modulatorem elektrooptycznym LTOI dlaModulowana intensywnośćDetekcja bezpośrednia (IMDD) w systemie komunikacji optycznej a) urządzenie eksperymentalne; (b) Zmierzona bitowa stopa błędu (BER) sygnałów PAM8 (czerwony), PAM4 (zielony) i PAM2 (niebieski) jako funkcja szybkości znaku; c) wyodrębniona użyteczna szybkość informacji (AIR, linia przerywana) i powiązana 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 w ramach modulacji PAM2, PAM4, PAM8.

W pracy przedstawiono pierwszy szybki modulator elektrooptyczny LTOI o szerokości pasma 3 dB wynoszącej 110 GHz. W eksperymentach z bezpośrednią detekcją transmisji IMDD z modulacją intensywności, urządzenie osiąga szybkość transmisji danych netto na poziomie 405 Gbit/s, co jest porównywalne z najlepszą wydajnością istniejących platform elektrooptycznych, takich jak LNOI i modulatory plazmowe. W przyszłości użyj bardziej złożonychModulator IQprojekty lub bardziej zaawansowane techniki korekcji błędów sygnału lub wykorzystujące podłoża o niższych stratach mikrofalowych, takie jak podłoża kwarcowe, oczekuje się, że urządzenia z tantalanu litu osiągną szybkość komunikacji 2 Tbit/s lub wyższą. W połączeniu ze specyficznymi zaletami LTOI, takimi jak niższa dwójłomność i efekt skali wynikający z jej szerokiego zastosowania na innych rynkach filtrów RF, technologia fotoniki z tantalanem litu zapewni tanie, energooszczędne i ultraszybkie rozwiązania dla nowej generacji wysokich -szybkie optyczne sieci komunikacyjne i mikrofalowe systemy fotoniczne.