Lithiumtantalaat (LTOI) hoge snelheidelektro-optische modulator
Het wereldwijde dataverkeer blijft groeien, gedreven door de brede acceptatie van nieuwe technologieën zoals 5G en kunstmatige intelligentie (AI), wat aanzienlijke uitdagingen oplevert voor transceivers op alle niveaus van optische netwerken. De volgende generatie elektro-optische modulatortechnologie vereist met name een aanzienlijke verhoging van de gegevensoverdrachtssnelheden tot 200 Gbps in één kanaal, terwijl tegelijkertijd het energieverbruik en de kosten worden verlaagd. De afgelopen jaren is siliciumfotonicatechnologie op grote schaal toegepast op de markt voor optische transceivers, voornamelijk omdat siliciumfotonica massaal kan worden geproduceerd met behulp van het volwassen CMOS-proces. SOI-elektro-optische modulatoren die afhankelijk zijn van draaggolfdispersie, staan echter voor grote uitdagingen op het gebied van bandbreedte, energieverbruik, vrije-draaggolfabsorptie en niet-lineariteit van modulatie. Andere technologische routes in de industrie omvatten InP, dunnefilmlithiumniobaat LNOI, elektro-optische polymeren en andere heterogene integratieoplossingen voor meerdere platforms. LNOI wordt beschouwd als de oplossing die de beste prestaties kan leveren bij modulatie met ultrahoge snelheid en laag vermogen, maar kent momenteel enkele uitdagingen op het gebied van massaproductie en kosten. Onlangs lanceerde het team een geïntegreerd fotonisch platform met dunnefilmlithiumtantalaat (LTOI) met uitstekende foto-elektrische eigenschappen en grootschalige productie. Verwacht wordt dat dit platform de prestaties van optische platforms van lithiumniobaat en silicium in veel toepassingen zal evenaren of zelfs overtreffen. Tot nu toe was het kernapparaat echteroptische communicatie, de ultrasnelle elektro-optische modulator, is niet geverifieerd in LTOI.
In deze studie hebben de onderzoekers eerst de LTOI elektro-optische modulator ontworpen, waarvan de structuur is weergegeven in Figuur 1. Door het ontwerp van de structuur van elke laag lithiumtantalaat op de isolator en de parameters van de microgolfelektrode, is de voortplantingssnelheid van microgolven en lichtgolven in deelektro-optische modulatorwordt gerealiseerd. Om het verlies van de microgolfelektrode te verminderen, stelden de onderzoekers in dit werk voor het eerst het gebruik van zilver voor als elektrodemateriaal met een betere geleiding. De zilverelektrode bleek het microgolfverlies tot 82% te verminderen in vergelijking met de veelgebruikte goudelektrode.
FIG. 1 Structuur van LTOI elektro-optische modulator, ontwerp voor faseaanpassing, verliestest van microgolfelektroden.
FIG. 2 toont het experimentele apparaat en de resultaten van de LTOI elektro-optische modulator voorintensiteit gemoduleerdDirecte detectie (IMDD) in optische communicatiesystemen. De experimenten tonen aan dat de LTOI elektro-optische modulator PAM8-signalen kan verzenden met een tekenfrequentie van 176 GBd, met een gemeten BER van 3,8 × 10⁻² onder de drempelwaarde van 25% SD-FEC. Voor zowel 200 GBd PAM4 als 208 GBd PAM2 was de BER significant lager dan de drempelwaarde van 15% SD-FEC en 7% HD-FEC. De resultaten van de oog- en histogramtest in figuur 3 tonen visueel aan dat de LTOI elektro-optische modulator kan worden gebruikt in snelle communicatiesystemen met een hoge lineariteit en een lage bitfoutfrequentie.
FIGUUR 2 Experiment met LTOI elektro-optische modulator voorIntensiteit gemoduleerdDirecte detectie (IMDD) in een optisch communicatiesysteem (a) experimenteel apparaat; (b) De gemeten bitfoutfrequentie (BER) van PAM8 (rood), PAM4 (groen) en PAM2 (blauw) signalen als functie van de tekenfrequentie; (c) Geëxtraheerde bruikbare informatiesnelheid (AIR, stippellijn) en bijbehorende netto gegevenssnelheid (NDR, doorgetrokken lijn) voor metingen met bitfoutfrequentiewaarden onder de limiet van 25% SD-FEC; (d) Oogkaarten en statistische histogrammen onder PAM2-, PAM4-, PAM8-modulatie.
Dit werk demonstreert de eerste snelle LTOI elektro-optische modulator met een bandbreedte van 3 dB bij 110 GHz. In experimenten met directe detectie van intensiteitsmodulatie (IMDD) behaalt het apparaat een netto datasnelheid van 405 Gbit/s op één enkele draaggolf, wat vergelijkbaar is met de beste prestaties van bestaande elektro-optische platforms zoals LNOI en plasmamodulatoren. In de toekomst, met behulp van complexereIQ-modulatorDoor gebruik te maken van ontwerpen of geavanceerdere technieken voor signaalfoutcorrectie, of door gebruik te maken van substraten met een lager microgolfverlies, zoals kwartssubstraten, wordt verwacht dat lithiumtantalaat-apparaten communicatiesnelheden van 2 Tbit/s of hoger zullen bereiken. Gecombineerd met de specifieke voordelen van LTOI, zoals een lagere dubbelbreking en het schaaleffect door de brede toepassing ervan in andere RF-filtermarkten, zal lithiumtantalaat-fotonicatechnologie goedkope, energiezuinige en ultrasnelle oplossingen bieden voor de volgende generatie snelle optische communicatienetwerken en microgolf-fotonicasystemen.
Plaatsingstijd: 11-12-2024