Litija tantalāta (LTOI) ātrdarbīgs elektrooptiskais modulators

Litija tantalāts (LTOI) ar lielu ātrumuelektrooptiskais modulators

Globālā datu plūsma turpina pieaugt, pateicoties tādu jaunu tehnoloģiju kā 5G un mākslīgā intelekta (MI) plašajai ieviešanai, kas rada ievērojamas problēmas raidītājiem-uztvērējiem visos optisko tīklu līmeņos. Konkrēti, nākamās paaudzes elektrooptisko modulatoru 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 raidītāju-uztvērēju tirgū, galvenokārt tāpēc, ka silīcija fotoniku var ražot masveidā, izmantojot nobriedušu CMOS procesu. Tomēr SOI elektrooptiskie modulatori, kas balstās uz nesēju dispersiju, saskaras ar lielām problēmām joslas platuma, enerģijas patēriņa, brīvā nesēja absorbcijas un modulācijas nelinearitātes jomā. Citi tehnoloģiju virzieni nozarē ietver InP, plānas plēves litija niobāta LNOI, elektrooptiskos polimērus un citus daudzplatformu heterogēnus integrācijas risinājumus. LNOI tiek uzskatīts par risinājumu, kas var sasniegt vislabāko veiktspēju īpaši ātrgaitas un mazas jaudas modulācijā, tomēr pašlaik tam ir dažas problēmas masveida ražošanas procesa un izmaksu ziņā. Nesen komanda laida klajā plānslāņa litija tantalāta (LTOI) integrētu fotonisko platformu ar izcilām fotoelektriskām īpašībām un liela mēroga ražošanu, kas daudzos pielietojumos, domājams, sasniegs vai pat pārsniegs litija niobāta un silīcija optisko platformu veiktspēju. Tomēr līdz šim galvenā ierīceoptiskā komunikācija, īpaši ātrdarbīgais elektrooptiskais modulators, nav pārbaudīts LTOI.

Šajā pētījumā pētnieki vispirms izstrādāja LTOI elektrooptisko modulatoru, kura struktūra ir parādīta 1. attēlā. Izstrādājot katra litija tantalāta slāņa struktūru uz izolatora un mikroviļņu elektroda parametrus, tika panākta mikroviļņu un gaismas viļņa izplatīšanās ātruma saskaņošana.elektrooptiskais modulatorsir realizēts. Runājot par mikroviļņu elektroda zudumu samazināšanu, pētnieki šajā darbā pirmo reizi ierosināja izmantot sudrabu kā elektroda materiālu ar labāku vadītspēju, un tika pierādīts, ka sudraba elektrods samazina mikroviļņu zudumus līdz 82% salīdzinājumā ar plaši izmantoto zelta elektrodu.

1. attēls. LTOI elektrooptiskā modulatora struktūra, fāžu saskaņošanas dizains, mikroviļņu elektrodu zudumu tests.

2. attēlā parādīta LTOI elektrooptiskā modulatora eksperimentālā iekārta un rezultātiintensitātes modulācijatiešās detekcijas (IMDD) izmantošana optisko sakaru sistēmās. Eksperimenti liecina, ka LTOI elektrooptiskais modulators var pārraidīt PAM8 signālus ar 176 GBd zīmes ātrumu ar izmērītu 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. 3. attēlā redzamie acu un histogrammas testa rezultāti vizuāli parāda, ka LTOI elektrooptisko modulatoru var izmantot ātrdarbīgās sakaru sistēmās ar augstu linearitāti un zemu bitu kļūdu līmeni.

2. attēls. Eksperiments, izmantojot LTOI elektrooptisko modulatoruIntensitātes modulācijaTiešā detektēšana (IMDD) optiskās sakaru sistēmas (a) eksperimentālā ierīce; (b) PAM8 (sarkanā), PAM4 (zaļā) un PAM2 (zilā) signālu izmērītais bitu kļūdu līmenis (BER) kā zīmes ātruma funkcija; (c) Iegūtais izmantojamās informācijas ātrums (AIR, pārtraukta līnija) un saistītais tīrais datu pārraides ātrums (NDR, nepārtraukta līnija) mērījumiem ar bitu kļūdu līmeņa vērtībām zem 25% SD-FEC robežas; (d) Acu kartes un statistiskās histogrammas PAM2, PAM4, PAM8 modulācijā.

Šajā darbā tiek demonstrēts pirmais ātrdarbīgais LTOI elektrooptiskais modulators ar 3 dB joslas platumu 110 GHz. Intensitātes modulācijas tiešās detekcijas IMDD pārraides eksperimentos ierīce sasniedz viena nesēja neto datu pārraides ātrumu 405 Gbit/s, kas ir salīdzināms ar esošo elektrooptisko platformu, piemēram, LNOI un plazmas modulatoru, labāko veiktspēju. Nākotnē, izmantojot sarežģītākusIQ modulatorsIzmantojot litija tantalāta ierīces, izmantojot modernākus dizainus vai modernākas signāla kļūdu korekcijas metodes, vai izmantojot substrātus ar mazākiem mikroviļņu zudumiem, piemēram, kvarca substrātus, paredzams, ka sasniegs 2 Tbit/s vai lielāku sakaru ātrumu. Apvienojumā ar LTOI īpašajām priekšrocībām, piemēram, zemāku dubultlaušanu un mēroga efektu, pateicoties tā plašajam pielietojumam citos RF filtru tirgos, litija tantalāta fotonikas tehnoloģija nodrošinās lētus, mazjaudas un īpaši ātrdarbīgus risinājumus nākamās paaudzes ātrgaitas optiskajiem sakaru tīkliem un mikroviļņu fotonikas sistēmām.