Litijev tantalat (LTOI) elektro-optički modulator velike brzine

Litijev tantalat (LTOI) velike brzineelektrooptički modulator

Globalni podatkovni promet nastavlja rasti, potaknut širokim usvajanjem novih tehnologija kao što su 5G i umjetna inteligencija (AI), što predstavlja značajne izazove za primopredajnike na svim razinama optičkih mreža. Konkretno, tehnologija elektrooptičkog modulatora sljedeće generacije zahtijeva značajno povećanje brzine prijenosa podataka na 200 Gbps u jednom kanalu uz istovremeno smanjenje potrošnje energije i troškova. U posljednjih nekoliko godina tehnologija silicijske fotonike naširoko se koristi na tržištu optičkih primopredajnika, uglavnom zbog činjenice da se silicijska fotonika može masovno proizvoditi korištenjem zrelog CMOS procesa. Međutim, SOI elektro-optički modulatori koji se oslanjaju na disperziju nositelja suočavaju se s velikim izazovima u propusnosti, potrošnji energije, slobodnoj apsorpciji nositelja i nelinearnosti modulacije. Ostale tehnološke rute u industriji uključuju InP, tankoslojni litij niobat LNOI, elektrooptičke polimere i druga heterogena integracijska rješenja za više platformi. LNOI se smatra rješenjem koje može postići najbolju izvedbu u modulaciji ultra velike brzine i male snage, međutim, trenutno ima neke izazove u smislu procesa masovne proizvodnje i troškova. Nedavno je tim lansirao integriranu fotoničku platformu tankog filma litij tantalata (LTOI) s izvrsnim fotoelektričnim svojstvima i velikom proizvodnjom, za koju se očekuje da će odgovarati ili čak premašiti performanse litij niobata i silicijevih optičkih platformi u mnogim primjenama. Međutim, do sada je osnovni uređaj odoptička komunikacija, elektro-optički modulator ultra velike brzine, nije verificiran u LTOI.

U ovoj su studiji istraživači prvi dizajnirali LTOI elektrooptički modulator, čija je struktura prikazana na slici 1. Kroz dizajn strukture svakog sloja litijeva tantalata na izolatoru i parametre mikrovalne elektrode, širenje usklađivanje brzine mikrovalnog i svjetlosnog vala uelektrooptički modulatorse ostvaruje. Što se tiče smanjenja gubitka mikrovalne elektrode, istraživači su u ovom radu po prvi put predložili upotrebu srebra kao materijala elektrode s boljom vodljivošću, a pokazalo se da srebrna elektroda smanjuje mikrovalni gubitak na 82% u usporedbi s široko korištena zlatna elektroda.

SLIKA 1 LTOI struktura elektrooptičkog modulatora, dizajn usklađivanja faza, test gubitka mikrovalne elektrode.

SLIKA Slika 2 prikazuje eksperimentalni aparat i rezultate LTOI elektrooptičkog modulatora zaintenzitet moduliranizravna detekcija (IMDD) u optičkim komunikacijskim sustavima. Eksperimenti pokazuju da LTOI elektro-optički modulator može odašiljati PAM8 signale brzinom predznaka od 176 GBd s izmjerenim BER-om od 3,8×10⁻² ispod praga SD-FEC od 25%. I za 200 GBd PAM4 i za 208 GBd PAM2, BER je bio znatno niži od praga od 15% SD-FEC i 7% HD-FEC. Rezultati testa oka i histograma na slici 3 vizualno pokazuju da se LTOI elektrooptički modulator može koristiti u komunikacijskim sustavima velike brzine s visokom linearnošću i niskom stopom pogreške u bitovima.

SLIKA 2 Eksperimentirajte s LTOI elektrooptičkim modulatorom zaModulirani intenzitetIzravna detekcija (IMDD) u optičkom komunikacijskom sustavu (a) eksperimentalni uređaj; (b) Izmjerena stopa pogreške bita (BER) signala PAM8(crveno), PAM4(zeleno) i PAM2(plavo) kao funkcija stope predznaka; (c) Brzina ekstrahiranih korisnih informacija (AIR, isprekidana linija) i povezana neto brzina prijenosa podataka (NDR, puna linija) za mjerenja s vrijednostima stope pogreške bitova ispod 25% SD-FEC granice; (d) Mape oka i statistički histogrami pod PAM2, PAM4, PAM8 modulacijom.

Ovaj rad demonstrira prvi LTOI elektro-optički modulator velike brzine s propusnošću od 3 dB od 110 GHz. U eksperimentima prijenosa IMDD izravnog otkrivanja modulacije intenziteta, uređaj postiže neto brzinu prijenosa podataka s jednim nositeljem od 405 Gbit/s, što je usporedivo s najboljim performansama postojećih elektrooptičkih platformi kao što su LNOI i plazma modulatori. U budućnosti, koristeći složenijeIQ modulatordizajna ili naprednijih tehnika za ispravljanje pogrešaka signala, ili korištenjem supstrata s nižim mikrovalnim gubicima kao što su kvarcni supstrati, očekuje se da će uređaji s litijevim tantalatom postići brzinu komunikacije od 2 Tbit/s ili više. U kombinaciji sa specifičnim prednostima LTOI-ja, kao što je manja dvolomnost i efekt ljestvice zbog njegove raširene primjene na drugim tržištima RF filtara, fotonička tehnologija litij tantalata pružit će jeftina rješenja male snage i ultra velike brzine za sljedeću generaciju visokih performansi. -brzinske optičke komunikacijske mreže i mikrovalni fotonički sustavi.