Litija tantalāta (LTOI) ātrgaitas elektrooptiskais modulators

Litija tantalāts (LTOI) liels ātrumselektrooptiskais modulators

Globālā datu plūsma turpina pieaugt, ko veicina jaunu tehnoloģiju, piemēram, 5G un mākslīgā intelekta (AI) plašā ieviešana, kas rada ievērojamas problēmas raiduztvērējiem visos optisko tīklu līmeņos. Konkrēti, nākamās paaudzes elektrooptiskā modulatora tehnoloģija prasa ievērojamu datu pārraides ātruma palielināšanu līdz 200 Gbps vienā kanālā, vienlaikus samazinot enerģijas patēriņu un izmaksas. Pēdējos gados silīcija fotonikas tehnoloģija ir plaši izmantota optisko raiduztvērēju tirgū, galvenokārt tāpēc, ka silīcija fotoniku var masveidā ražot, izmantojot nobriedušu CMOS procesu. Tomēr SOI elektrooptiskie modulatori, kas balstās uz nesēja izkliedi, saskaras ar lieliem izaicinājumiem attiecībā uz joslas platumu, enerģijas patēriņu, brīvo nesēja absorbciju un modulācijas nelinearitāti. Citi tehnoloģiju ceļi nozarē ietver InP, plānslāņa litija niobāta LNOI, elektrooptiskos polimērus un citus daudzplatformu neviendabīgus integrācijas risinājumus. LNOI tiek uzskatīts par risinājumu, kas var sasniegt vislabāko veiktspēju īpaši liela ātruma un mazjaudas modulācijā, tomēr pašlaik tam ir daži izaicinājumi masveida ražošanas procesa un izmaksu ziņā. Nesen komanda uzsāka plānas plēves litija tantalāta (LTOI) integrēto fotonisko platformu ar izcilām fotoelektriskajām īpašībām un liela mēroga ražošanu, kas sagaidāms, ka daudzās lietojumprogrammās atbilst litija niobāta un silīcija optisko platformu veiktspējai vai pat pārsniegs to. Tomēr līdz šim galvenā ierīceoptiskā komunikācija, īpaši ātrgaitas elektrooptiskais modulators, LTOI nav pārbaudīts.

Šajā pētījumā pētnieki vispirms izstrādāja LTOI elektrooptisko modulatoru, kura struktūra parādīta 1. attēlā. Izstrādājot katra uz izolatora esošā litija tantalāta slāņa struktūru un mikroviļņu elektroda parametrus, izplatīšanās. mikroviļņu un gaismas viļņu ātruma saskaņošanaelektrooptiskais modulatorstiek realizēts. Runājot par mikroviļņu elektroda zuduma samazināšanu, pētnieki šajā darbā pirmo reizi ierosināja izmantot sudrabu kā elektrodu materiālu ar labāku vadītspēju, un tika pierādīts, ka sudraba elektrods samazina mikroviļņu zudumus līdz 82%, salīdzinot ar sudraba elektrodu. plaši izmantots zelta elektrods.

Zīm. 1 LTOI elektrooptiskā modulatora struktūra, fāzes saskaņošanas dizains, mikroviļņu elektrodu zudumu pārbaude.

Zīm. 2 parāda LTOI elektrooptiskā modulatora eksperimentālo aparatūru un rezultātusintensitāte modulētatiešā noteikšana (IMDD) optisko sakaru sistēmās. Eksperimenti liecina, ka LTOI elektrooptiskais modulators var pārraidīt PAM8 signālus ar signālu ātrumu 176 GBd ar izmērīto BER 3,8 × 10⁻² zem 25% SD-FEC sliekšņa. Gan 200 GBd PAM4, gan 208 GBd PAM2 BER bija ievērojami zemāks par 15% SD-FEC un 7% HD-FEC slieksni. Acu un histogrammas testa rezultāti 3. attēlā vizuāli parāda, ka LTOI elektrooptisko modulatoru var izmantot ātrgaitas sakaru sistēmās ar augstu linearitāti un zemu bitu kļūdu līmeni.

Zīm. 2 Eksperimentējiet, izmantojot LTOI elektrooptisko modulatoruModulēta intensitāteTiešā noteikšana (IMDD) optiskajā sakaru sistēmā a) eksperimentāla ierīce; b) PAM8 (sarkans), PAM4 (zaļš) un PAM2 (zils) signālu izmērītais bitu kļūdu līmenis (BER) kā signāla ātruma funkcija; c) iegūtais izmantojamās informācijas ātrums (AIR, punktēta līnija) un saistītais neto datu pārraides ātrums (NDR, nepārtraukta līnija) mērījumiem ar bitu kļūdu ātruma vērtībām, kas ir zemākas par 25 % SD-FEC robežu; (d) Acu kartes un statistiskās histogrammas saskaņā ar PAM2, PAM4, PAM8 modulāciju.

Šis darbs demonstrē pirmo ātrgaitas LTOI elektrooptisko modulatoru ar 3 dB joslas platumu 110 GHz. Intensitātes modulācijas tiešās noteikšanas IMDD pārraides eksperimentos ierīce sasniedz viena nesēja neto datu pārraides ātrumu 405 Gbit/s, kas ir salīdzināms ar labāko esošo elektrooptisko platformu, piemēram, LNOI un plazmas modulatoru, veiktspēju. Nākotnē, izmantojot sarežģītākuIQ modulatorskonstrukcijas vai uzlabotas signāla kļūdu korekcijas metodes, vai izmantojot mazākus mikroviļņu zudumus, piemēram, kvarca substrātus, litija tantalāta ierīces sasniegs 2 Tbit/s vai lielāku sakaru ātrumu. Apvienojumā ar LTOI īpašajām priekšrocībām, piemēram, zemāku divkāršo laušanu un mēroga efektu, pateicoties tā plaši izplatītajam pielietojumam citos RF filtru tirgos, litija tantalāta fotonikas tehnoloģija nodrošinās zemu izmaksu, mazjaudas un īpaši ātrdarbīgus risinājumus nākamās paaudzes lieliem. -ātruma optiskie sakaru tīkli un mikroviļņu fotonikas sistēmas.