Litiumtantalat (LTOI) høyhastighets elektrooptisk modulator

Litiumtantalat (LTOI) høyhastighetselektrooptisk modulator

Global datatrafikk fortsetter å vokse, drevet av den utbredte bruken av nye teknologier som 5G og kunstig intelligens (KI), noe som gir betydelige utfordringer for transceivere på alle nivåer av optiske nettverk. Mer spesifikt krever neste generasjons elektrooptiske 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 silisiumfotonikkteknologi blitt mye brukt i markedet for optiske transceivere, hovedsakelig på grunn av det faktum at silisiumfotonikk kan masseproduseres ved hjelp av den modne CMOS-prosessen. Imidlertid står SOI-elektrooptiske modulatorer som er avhengige av bærerdispersjon overfor store utfordringer innen båndbredde, strømforbruk, absorpsjon av fri bærer og ikke-linearitet i moduleringen. Andre teknologiruter i bransjen inkluderer InP, tynnfilm-litiumniobat-LNOI, elektrooptiske polymerer og andre heterogene integrasjonsløsninger for flere plattformer. LNOI anses å være løsningen som kan oppnå best ytelse innen ultrahøy hastighet og lav effektmodulering, men den har for tiden noen utfordringer når det gjelder masseproduksjonsprosess og kostnader. Nylig lanserte teamet en integrert fotonisk plattform med tynnfilmslitiumtantalat (LTOI) med utmerkede fotoelektriske egenskaper og storskalaproduksjon, som forventes å matche eller til og med overgå ytelsen til optiske plattformer for litiumniobat og silisium i mange bruksområder. Imidlertid har kjerneenheten frem til nå vært ...optisk kommunikasjon, den ultrahøyhastighets elektrooptiske modulatoren, har ikke blitt verifisert i LTOI.

I denne studien designet forskerne først den elektrooptiske LTOI-modulatoren, hvis struktur er vist i figur 1. Gjennom utformingen av strukturen til hvert lag med litiumtantalat på isolatoren og parametrene til mikrobølgeelektroden, kan forplantningshastigheten til mikrobølge- og lysbølgen i samsvares.elektrooptisk 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 konduktivitet, og det ble vist at sølvelektroden reduserte mikrobølgetapet til 82 % sammenlignet med den mye brukte gullelektroden.

FIG. 1 LTOI elektrooptisk modulatorstruktur, fasetilpasningsdesign, mikrobølgeelektrodetapstest.

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

FIG. 2 Eksperiment med LTOI elektrooptisk modulator forIntensitetsmodulertDirekte deteksjon (IMDD) i optisk kommunikasjonssystem (a) eksperimentell enhet; (b) Den målte bitfeilraten (BER) for PAM8 (rød), PAM4 (grønn) og PAM2 (blå) signaler som en funksjon av fortegnsraten; (c) Utvunnet brukbar informasjonsrate (AIR, stiplet linje) og tilhørende netto datarate (NDR, heltrukket linje) for målinger med bitfeilrateverdier under 25 % SD-FEC-grensen; (d) Øykart og statistiske histogrammer under PAM2-, PAM4-, PAM8-modulering.

Dette arbeidet demonstrerer den første høyhastighets LTOI elektrooptiske modulatoren med en 3 dB båndbredde på 110 GHz. I intensitetsmodulasjons-direktedeteksjons-IMDD-overføringseksperimenter oppnår enheten en netto datahastighet på 405 Gbit/s for enkeltbærer, som er sammenlignbar med den beste ytelsen til eksisterende elektrooptiske plattformer som LNOI og plasmamodulatorer. I fremtiden vil bruk av mer komplekseIQ-modulatorVed bruk av design eller mer avanserte teknikker for korrigering av signalfeil, eller ved bruk av substrater med lavere mikrobølgetap, som kvartssubstrater, forventes det at litiumtantalat-enheter vil oppnå kommunikasjonshastigheter på 2 Tbit/s eller høyere. Kombinert med LTOIs spesifikke fordeler, som lavere dobbeltbrytning og skaleringseffekten på grunn av den utbredte anvendelsen i andre RF-filtermarkeder, vil litiumtantalat-fotonikkteknologi gi rimelige, strømsparende og ultrahøyhastighetsløsninger for neste generasjons høyhastighetsoptiske kommunikasjonsnettverk og mikrobølgefotonikksystemer.