Lithiumtantalat (LTOI) høj hastighedelektro-optisk modulator
Global datatrafik fortsætter med at vokse, drevet af den udbredte indførelse af nye teknologier såsom 5G og kunstig intelligens (AI), som udgør betydelige udfordringer for transceivere på alle niveauer af optiske netværk. Specifikt kræver næste generations elektro-optiske modulatorteknologi en betydelig stigning i dataoverførselshastigheder til 200 Gbps i en enkelt kanal, samtidig med at energiforbruget og omkostningerne reduceres. I de sidste par år er siliciumfotonik-teknologi blevet brugt i vid udstrækning på det optiske transceiver-marked, hovedsageligt på grund af det faktum, at siliciumfotonik kan masseproduceres ved hjælp af den modne CMOS-proces. SOI elektro-optiske modulatorer, der er afhængige af carrier dispersion, står imidlertid over for store udfordringer med hensyn til båndbredde, strømforbrug, fri carrier absorption og modulering ulinearitet. Andre teknologiruter i industrien omfatter InP, tyndfilm lithiumniobat LNOI, elektro-optiske polymerer og andre multi-platform heterogene integrationsløsninger. LNOI anses for at være den løsning, der kan opnå den bedste ydeevne inden for ultrahøj hastighed og laveffektmodulering, dog har den i øjeblikket nogle udfordringer med hensyn til masseproduktionsproces og omkostninger. For nylig lancerede holdet en tynd film lithium tantalate (LTOI) integreret fotonisk platform med fremragende fotoelektriske egenskaber og storskala produktion, som forventes at matche eller endda overgå ydeevnen af lithium niobat og silicium optiske platforme i mange applikationer. Men indtil nu, kernen enhed afoptisk kommunikation, den ultra-højhastigheds elektro-optiske modulator, er ikke blevet verificeret i LTOI.
I denne undersøgelse designede forskerne først LTOI elektro-optiske modulator, hvis struktur er vist i figur 1. Gennem designet af strukturen af hvert lag af lithiumtantalat på isolatoren og parametrene for mikrobølgeelektroden, udbredelsen hastighedstilpasning af mikroovn og lysbølge ielektro-optisk 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 sølvelektroden viste sig at reducere mikrobølgetabet til 82 % sammenlignet med meget brugt guldelektrode.
FIG. 1 LTOI elektrooptisk modulatorstruktur, fasetilpasningsdesign, mikrobølgeelektrodetabstest.
FIG. 2 viser forsøgsapparatet og resultaterne af LTOI elektro-optiske modulator forintensitetsmoduleretdirekte detektion (IMDD) i optiske kommunikationssystemer. Forsøgene viser, at den elektrooptiske LTOI-modulator kan transmittere PAM8-signaler med en tegnhastighed 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. Øjen- og histogramtestresultaterne i figur 3 viser visuelt, at LTOI elektro-optiske modulator kan bruges i højhastighedskommunikationssystemer med høj linearitet og lav bitfejlrate.
FIG. 2 Eksperimenter med LTOI elektro-optisk 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 en funktion af fortegnshastigheden; (c) Udtrukket brugbar informationshastighed (AIR, stiplet linje) og tilhørende nettodatahastighed (NDR, ubrudt linje) for målinger med bitfejlhastighedsværdier under 25 % SD-FEC-grænsen; (d) Øjenkort og statistiske histogrammer under PAM2, PAM4, PAM8 modulering.
Dette arbejde demonstrerer den første højhastigheds LTOI elektro-optiske modulator med en 3 dB båndbredde på 110 GHz. I IMDD-transmissionseksperimenter med intensitetsmodulation med direkte detektion opnår enheden en enkelt bærer nettodatahastighed på 405 Gbit/s, hvilket kan sammenlignes med den bedste ydeevne af eksisterende elektro-optiske platforme såsom LNOI og plasmamodulatorer. I fremtiden bruger mere komplekseIQ modulatordesigns eller mere avancerede teknikker til korrektion af signalfejl, eller 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 skaleringseffekten på grund af dens udbredte anvendelse på andre RF-filtermarkeder, vil lithiumtantalat-fotonikteknologi give lavpris, lav-effekt og ultra-højhastighedsløsninger til næste generations høje -hastigheds optiske kommunikationsnetværk og mikrobølgefotoniksystemer.
Indlægstid: Dec-11-2024