Litiumtantalat (LTOI) høyhastighets elektrooptisk modulator

Litiumtantalat (LTOI) høy hastighetelektro-optisk modulator

Global datatrafikk fortsetter å vokse, drevet av utbredt bruk av nye teknologier som 5G og kunstig intelligens (AI), som utgjør betydelige utfordringer for transceivere på alle nivåer av optiske nettverk. Nærmere bestemt krever neste generasjons elektro-optiske modulatorteknologi en betydelig økning i dataoverføringshastigheter til 200 Gbps i en enkelt kanal samtidig som energiforbruk og kostnader reduseres. I løpet av de siste årene har silisiumfotonikteknologi blitt mye brukt i det optiske transceivermarkedet, hovedsakelig på grunn av det faktum at silisiumfotonikk kan masseproduseres ved hjelp av den modne CMOS-prosessen. SOI elektrooptiske modulatorer som er avhengige av bærerspredning møter imidlertid store utfordringer når det gjelder båndbredde, strømforbruk, fri bærebølgeabsorpsjon og modulasjonsulinearitet. Andre teknologiveier i industrien inkluderer InP, tynnfilm litiumniobat LNOI, elektro-optiske polymerer og andre heterogene multiplattform-integrasjonsløsninger. LNOI anses å være løsningen som kan oppnå best ytelse i ultrahøy hastighet og laveffektmodulering, men den har for tiden noen utfordringer når det gjelder masseproduksjonsprosess og kostnad. Nylig lanserte teamet en tynnfilm litiumtantalat (LTOI) integrert fotonisk plattform med utmerkede fotoelektriske egenskaper og storskala produksjon, som forventes å matche eller til og med overgå ytelsen til litiumniobat- og silisiumoptiske plattformer i mange applikasjoner. Men inntil nå er kjerneenheten tiloptisk kommunikasjon, den ultra-høyhastighets elektrooptiske modulatoren, er ikke verifisert i LTOI.

I denne studien designet forskerne først LTOI elektrooptiske modulator, hvis struktur er vist i figur 1. Gjennom utformingen av strukturen til hvert lag av litiumtantalat på isolatoren og parametrene til mikrobølgeelektroden, forplantningen hastighetsmatching av mikrobølge og lysbølge ielektro-optisk modulatorer realisert. Når det gjelder å redusere tapet av mikrobølgeelektroden, foreslo forskerne i dette arbeidet for første gang bruk av sølv som et elektrodemateriale med bedre ledningsevne, og sølvelektroden ble vist å redusere mikrobølgetapet til 82 % sammenlignet med mye brukt gullelektrode.

FIG. 1 LTOI elektrooptisk modulatorstruktur, fasetilpasningsdesign, test for tap av mikrobølgeelektroder.

FIG. 2 viser det eksperimentelle apparatet og resultatene av LTOI elektro-optiske modulator forintensitetsmodulertdirekte deteksjon (IMDD) i optiske kommunikasjonssystemer. Eksperimentene viser at den elektrooptiske LTOI-modulatoren kan overføre PAM8-signaler med en tegnhastighet på 176 GBd med en målt BER på 3,8×10⁻² under 25 % SD-FEC-terskel. For både 200 GBd PAM4 og 208 GBd PAM2 var BER betydelig lavere enn terskelen på 15 % SD-FEC og 7 % HD-FEC. Øye- og histogramtestresultatene i figur 3 viser visuelt at LTOI elektrooptiske modulator kan brukes i høyhastighetskommunikasjonssystemer med høy linearitet og lav bitfeilrate.

FIG. 2 Eksperimenter med LTOI elektrooptisk modulator forIntensitetsmodulertDirekte deteksjon (IMDD) i optisk kommunikasjonssystem (a) eksperimentell enhet; (b) Den målte bitfeilraten (BER) til PAM8(rød), PAM4(grønn) og PAM2(blå) signaler som en funksjon av fortegnsraten; (c) Uttrukket brukbar informasjonshastighet (AIR, stiplet linje) og tilhørende netto datahastighet (NDR, heltrukket linje) for målinger med bit-feilhastighetsverdier under 25 % SD-FEC-grensen; (d) Øyekart og statistiske histogrammer under PAM2, PAM4, PAM8-modulasjon.

Dette arbeidet demonstrerer den første høyhastighets LTOI elektrooptiske modulatoren med en 3 dB båndbredde på 110 GHz. I IMDD-overføringseksperimenter med direkte deteksjon av intensitetsmodulasjon oppnår enheten en enkeltbærer netto datahastighet på 405 Gbit/s, som er sammenlignbar med den beste ytelsen til eksisterende elektro-optiske plattformer som LNOI og plasmamodulatorer. I fremtiden bruker mer komplekseIQ modulatordesign eller mer avanserte teknikker for korrigering av signalfeil, eller bruk av substrater med lavere mikrobølgetap som kvartssubstrater, forventes litiumtantalatenheter å oppnå kommunikasjonshastigheter på 2 Tbit/s eller høyere. Kombinert med LTOIs spesifikke fordeler, for eksempel lavere dobbeltbrytning og skaleringseffekten på grunn av dens utbredte anvendelse i andre RF-filtermarkeder, vil litiumtantalat fotonikkteknologi gi lave kostnader, laveffekt og ultrahøyhastighetsløsninger for neste generasjons høyhastighetsløsninger -hastighets optiske kommunikasjonsnettverk og mikrobølgefotonikksystemer.