Високошвидкісний танталат літію (LTOI)електрооптичний модулятор
Глобальний трафік даних продовжує зростати завдяки широкому впровадженню нових технологій, таких як 5G та штучний інтелект (ШІ), що створює значні проблеми для приймачів-передавачів на всіх рівнях оптичних мереж. Зокрема, технологія електрооптичних модуляторів наступного покоління вимагає значного збільшення швидкості передачі даних до 200 Гбіт/с в одному каналі, одночасно знижуючи споживання енергії та витрати. За останні кілька років технологія кремнієвої фотоніки широко використовується на ринку оптичних приймачів-передавачів, головним чином завдяки тому, що кремнієва фотоніка може вироблятися масово за допомогою зрілого КМОП-процесу. Однак електрооптичні модулятори SOI, які залежать від дисперсії носіїв, стикаються з великими проблемами щодо пропускної здатності, споживання енергії, поглинання вільних носіїв та нелінійності модуляції. Інші технологічні шляхи в галузі включають InP, тонкоплівкові LNOI на основі ніобату літію, електрооптичні полімери та інші багатоплатформні гетерогенні інтеграційні рішення. LNOI вважається рішенням, яке може досягти найкращої продуктивності в надвисокошвидкісній та низькопотужній модуляції, проте наразі воно має деякі проблеми з точки зору процесу масового виробництва та вартості. Нещодавно команда запустила інтегровану фотонну платформу з тонкоплівкового танталату літію (LTOI) з чудовими фотоелектричними властивостями та можливістю великомасштабного виробництва, яка, як очікується, зрівняється або навіть перевищить продуктивність оптичних платформ на основі ніобату літію та кремнію в багатьох застосуваннях. Однак досі основним пристроєм...оптичний зв'язок, надшвидкісний електрооптичний модулятор, не був перевірений в LTOI.
У цьому дослідженні дослідники спочатку розробили електрооптичний модулятор LTOI, структура якого показана на рисунку 1. Завдяки проектуванні структури кожного шару танталату літію на ізоляторі та параметрам мікрохвильового електрода, узгодження швидкості поширення мікрохвильової та світлової хвилі велектрооптичний модуляторреалізовано. Щодо зменшення втрат мікрохвильового електрода, дослідники в цій роботі вперше запропонували використовувати срібло як електродний матеріал з кращою провідністю, і було показано, що срібний електрод зменшує втрати мікрохвиль до 82% порівняно з широко використовуваним золотим електродом.
РИС. 1. Структура електрооптичного модулятора LTOI, конструкція фазового узгодження, випробування на втрати мікрохвильового електрода.
На рис. 2 показано експериментальну установку та результати роботи електрооптичного модулятора LTOI длямодульована інтенсивністьпряме виявлення (IMDD) в оптичних системах зв'язку. Експерименти показують, що електрооптичний модулятор LTOI може передавати сигнали PAM8 зі швидкістю передачі знаків 176 Гбіт/с з виміряним коефіцієнтом BER 3,8×10⁻² нижче порогу 25% SD-FEC. Як для PAM4 з 200 Гбіт/с, так і для PAM2 з 208 Гбіт/с, BER був значно нижчим за поріг 15% SD-FEC та 7% HD-FEC. Результати тестів "око" та гістограми на рисунку 3 візуально демонструють, що електрооптичний модулятор LTOI може використовуватися у високошвидкісних системах зв'язку з високою лінійністю та низьким коефіцієнтом помилок бітів.
РИС. 2 Експеримент з використанням електрооптичного модулятора LTOI дляМодульована інтенсивністьПряме виявлення (IMDD) в оптичній системі зв'язку (a) експериментальний пристрій; (b) Виміряний коефіцієнт помилок у бітах (BER) сигналів PAM8 (червоний), PAM4 (зелений) та PAM2 (синій) як функція швидкості передачі знака; (c) Швидкість вилученої корисної інформації (AIR, пунктирна лінія) та пов'язана з нею чиста швидкість передачі даних (NDR, суцільна лінія) для вимірювань зі значеннями коефіцієнта помилок у бітах нижче межі 25% SD-FEC; (d) Очкові карти та статистичні гістограми за модуляції PAM2, PAM4, PAM8.
У цій роботі демонструється перший високошвидкісний електрооптичний модулятор LTOI зі смугою пропускання 3 дБ на частоті 110 ГГц. В експериментах з передачею даних з модуляцією інтенсивності та прямим детектуванням IMDD пристрій досягає чистої швидкості передачі даних на одній несучі 405 Гбіт/с, що можна порівняти з найкращими показниками існуючих електрооптичних платформ, таких як LNOI та плазмові модулятори. У майбутньому використання складніших...Модулятор IQЗавдяки конструкціям або більш просунутим методам корекції помилок сигналу, або використанню підкладок з меншими втратами мікрохвиль, таких як кварцові підкладки, очікується, що пристрої на основі танталату літію досягнуть швидкості зв'язку 2 Тбіт/с або вище. У поєднанні зі специфічними перевагами LTOI, такими як нижче двопроменезаломлення та ефект масштабування завдяки широкому застосуванню на інших ринках радіочастотних фільтрів, технологія фотоніки на основі танталату літію забезпечить недорогі, енергоємні та надшвидкісні рішення для високошвидкісних оптичних комунікаційних мереж наступного покоління та систем мікрохвильової фотоніки.
Час публікації: 11 грудня 2024 р.