Lithiumtantalat (LTOI) højhastighedselektrooptisk modulator
Den globale datatrafik fortsætter med at vokse, drevet af den udbredte anvendelse af nye teknologier som 5G og kunstig intelligens (AI), hvilket stiller transceivere på alle niveauer af optiske netværk over for betydelige udfordringer. Specifikt kræver den næste generations elektrooptiske modulatorteknologi en betydelig stigning i dataoverførselshastigheder til 200 Gbps i en enkelt kanal, samtidig med at energiforbrug og omkostninger reduceres. I de seneste år er siliciumfotonikteknologi blevet meget anvendt på markedet for optiske transceivere, primært på grund af det faktum, at siliciumfotonik kan masseproduceres ved hjælp af den modne CMOS-proces. SOI-elektrooptiske modulatorer, der er afhængige af bærerdispersion, står dog over for store udfordringer inden for båndbredde, strømforbrug, absorption af fri bærer og moduleringsulinearitet. Andre teknologiruter i branchen omfatter InP, tyndfilms-lithiumniobat-LNOI, elektrooptiske polymerer og andre heterogene integrationsløsninger på flere platforme. LNOI anses for at være den løsning, der kan opnå den bedste ydeevne inden for ultrahøj hastighed og lav effektmodulation, men den har i øjeblikket nogle udfordringer med hensyn til masseproduktionsproces og omkostninger. For nylig lancerede teamet en integreret fotonisk platform med tyndfilmslitiumtantalat (LTOI) med fremragende fotoelektriske egenskaber og storskalaproduktion, som forventes at matche eller endda overgå ydeevnen af lithiumniobat- og siliciumoptiske platforme i mange anvendelser. Indtil nu har kerneenheden dog væretoptisk kommunikation, den ultrahurtige elektrooptiske modulator, er ikke blevet verificeret i LTOI.
I dette studie designede forskerne først den elektrooptiske LTOI-modulator, hvis struktur er vist i figur 1. Gennem designet af strukturen af hvert lag af lithiumtantalat på isolatoren og parametrene for mikrobølgeelektroden, blev udbredelseshastighedstilpasningen af mikrobølge- og lysbølge ielektrooptisk modulatorer realiseret. Med hensyn til at reducere tabet af mikrobølgeelektroden foreslog forskerne i dette arbejde for første gang brugen af sølv som et elektrodemateriale med bedre ledningsevne, og det blev vist, at sølvelektroden reducerede mikrobølgetabet til 82% sammenlignet med den udbredte guldelektrode.
FIG. 1 LTOI elektrooptisk modulatorstruktur, fasetilpasningsdesign, mikrobølgeelektrodetabstest.
FIG. 2 viser det eksperimentelle apparat og resultaterne af den elektrooptiske LTOI-modulator tilintensitetsmoduleretdirekte detektion (IMDD) i optiske kommunikationssystemer. Eksperimenterne viser, at den elektrooptiske LTOI-modulator kan transmittere PAM8-signaler med en fortegnshastighed på 176 GBd med en målt BER på 3,8 × 10⁻² under 25% SD-FEC-tærsklen. For både 200 GBd PAM4 og 208 GBd PAM2 var BER signifikant lavere end tærsklen på 15% SD-FEC og 7% HD-FEC. Resultaterne af øjen- og histogramtesten i figur 3 viser visuelt, at den elektrooptiske LTOI-modulator kan bruges i højhastighedskommunikationssystemer med høj linearitet og lav bitfejlrate.
FIG. 2 Eksperiment med LTOI elektrooptisk modulator tilIntensitetsmoduleretDirekte detektion (IMDD) i optisk kommunikationssystem (a) eksperimentel enhed; (b) Den målte bitfejlrate (BER) for PAM8 (rød), PAM4 (grøn) og PAM2 (blå) signaler som funktion af fortegnshastigheden; (c) Udtrukket brugbar informationshastighed (AIR, stiplet linje) og tilhørende nettodatahastighed (NDR, fuldt optrukket linje) for målinger med bitfejlrateværdier under 25% SD-FEC-grænsen; (d) Øjenkort og statistiske histogrammer under PAM2-, PAM4-, PAM8-modulation.
Dette arbejde demonstrerer den første højhastigheds LTOI elektrooptiske modulator med en 3 dB båndbredde på 110 GHz. I eksperimenter med intensitetsmodulation og direkte detektion af IMDD-transmission opnår enheden en enkeltbærer-nettodatahastighed på 405 Gbit/s, hvilket kan sammenlignes med den bedste ydeevne for eksisterende elektrooptiske platforme såsom LNOI og plasmamodulatorer. I fremtiden vil brugen af mere komplekse ...IQ-modulatorDesigns eller mere avancerede signalfejlkorrektionsteknikker, eller ved brug af substrater med lavere mikrobølgetab, såsom kvartssubstrater, forventes lithiumtantalat-enheder at opnå kommunikationshastigheder på 2 Tbit/s eller højere. Kombineret med LTOI's specifikke fordele, såsom lavere dobbeltbrydning og skalaeffekten på grund af dens udbredte anvendelse på andre RF-filtermarkeder, vil lithiumtantalat-fotonikteknologi levere billige, strømbesparende og ultrahurtige løsninger til næste generations højhastighedsoptiske kommunikationsnetværk og mikrobølge-fotoniksystemer.
Opslagstidspunkt: 11. dec. 2024