Vysokorýchlostný elektrooptický modulátor lítium tantalátu (LTOI).

Tantalát lítny (LTOI) vysoká rýchlosťelektrooptický modulátor

Globálna dátová prevádzka naďalej rastie, poháňaná rozšíreným prijímaním nových technológií, ako sú 5G a umelá inteligencia (AI), čo predstavuje významné výzvy pre transceivery na všetkých úrovniach optických sietí. Konkrétne, technológia elektrooptických modulátorov ďalšej generácie si vyžaduje výrazné zvýšenie rýchlosti prenosu dát na 200 Gbps v jednom kanáli pri súčasnom znížení spotreby energie a nákladov. V posledných rokoch bola technológia kremíkovej fotoniky široko používaná na trhu optických transceiverov, hlavne kvôli skutočnosti, že kremíkovú fotoniku je možné hromadne vyrábať pomocou vyspelého procesu CMOS. Elektrooptické modulátory SOI, ktoré sa spoliehajú na disperziu nosiča, však čelia veľkým výzvam v oblasti šírky pásma, spotreby energie, absorpcie voľného nosiča a nelinearity modulácie. Ďalšie technologické cesty v tomto odvetví zahŕňajú InP, tenkovrstvový lítiumniobát LNOI, elektrooptické polyméry a ďalšie multiplatformové heterogénne integračné riešenia. LNOI sa považuje za riešenie, ktoré môže dosiahnuť najlepší výkon pri modulácii ultra vysokej rýchlosti a nízkeho výkonu, avšak v súčasnosti má určité výzvy, pokiaľ ide o proces hromadnej výroby a náklady. Nedávno tím uviedol na trh integrovanú fotonickú platformu tenkovrstvového lítium tantalátu (LTOI) s vynikajúcimi fotoelektrickými vlastnosťami a rozsiahlou výrobou, od ktorej sa očakáva, že v mnohých aplikáciách bude zodpovedať alebo dokonca prevýšiť výkon lítiumniobátových a kremíkových optických platforiem. Avšak doteraz bolo hlavným zariadením zoptická komunikácia, ultra-vysokorýchlostný elektrooptický modulátor, nebol overený v LTOI.

V tejto štúdii vedci najskôr navrhli elektrooptický modulátor LTOI, ktorého štruktúra je znázornená na obrázku 1. Prostredníctvom návrhu štruktúry každej vrstvy tantalátu lítneho na izolátore a parametrov mikrovlnnej elektródy sa šírenie prispôsobenie rýchlosti mikrovlnnej a svetelnej vlny velektro-optický modulátorsa realizuje. Pokiaľ ide o zníženie straty mikrovlnnej elektródy, výskumníci v tejto práci po prvýkrát navrhli použitie striebra ako elektródového materiálu s lepšou vodivosťou a ukázalo sa, že strieborná elektróda znižuje stratu mikrovlny na 82 % v porovnaní s široko používaná zlatá elektróda.

Obr. 1 Štruktúra elektrooptického modulátora LTOI, dizajn fázového prispôsobenia, test straty mikrovlnnej elektródy.

Obr. 2 ukazuje experimentálnu aparatúru a výsledky elektrooptického modulátora LTOI premodulovaná intenzitapriama detekcia (IMDD) v optických komunikačných systémoch. Experimenty ukazujú, že elektrooptický modulátor LTOI môže prenášať signály PAM8 so znamienkovou rýchlosťou 176 GBd s nameraným BER 3,8 × 10⁻² pod prahom 25 % SD-FEC. Pre 200 GBd PAM4 aj 208 GBd PAM2 bola BER výrazne nižšia ako prahová hodnota 15 % SD-FEC a 7 % HD-FEC. Výsledky testu oka a histogramu na obrázku 3 vizuálne ukazujú, že elektrooptický modulátor LTOI možno použiť vo vysokorýchlostných komunikačných systémoch s vysokou linearitou a nízkou bitovou chybovosťou.

Obr. 2 Experiment s použitím elektrooptického modulátora LTOI preIntenzita modulovanáPriama detekcia (IMDD) v optickom komunikačnom systéme a) experimentálne zariadenie; (b) Nameraná bitová chybovosť (BER) signálov PAM8 (červená), PAM4 (zelená) a PAM2 (modrá) ako funkcia rýchlosti znakov; c) extrahovaná použiteľná informačná rýchlosť (AIR, prerušovaná čiara) a súvisiaca čistá prenosová rýchlosť (NDR, plná čiara) pre merania s hodnotami bitovej chybovosti pod 25 % SD-FEC limitom; (d) Očné mapy a štatistické histogramy pri modulácii PAM2, PAM4, PAM8.

Táto práca demonštruje prvý vysokorýchlostný elektrooptický modulátor LTOI so šírkou pásma 3 dB 110 GHz. V experimentoch s priamou detekciou IMDD s moduláciou intenzity dosahuje zariadenie čistú dátovú rýchlosť jednej nosnej 405 Gbit/s, čo je porovnateľné s najlepším výkonom existujúcich elektrooptických platforiem, ako sú LNOI a plazmové modulátory. V budúcnosti, pomocou zložitejšieIQ modulátorPri konštrukciách alebo pokročilejších technikách korekcie chýb signálu alebo pri použití substrátov s nižšími mikrovlnnými stratami, ako sú kremenné substráty, sa očakáva, že zariadenia s tantalátom lítnym dosiahnu komunikačné rýchlosti 2 Tbit/s alebo vyššie. V kombinácii so špecifickými výhodami LTOI, ako je nižší dvojlom a mierkový efekt v dôsledku jeho rozšírenej aplikácie na iných trhoch RF filtrov, technológia lítium tantalátu poskytne lacné, nízkoenergetické a ultra-vysokorýchlostné riešenia pre vysokorýchlostné riešenia novej generácie. -rýchlostné optické komunikačné siete a mikrovlnné fotonické systémy.