Lithiumtantalaat (LTOI) hoge snelheidelektro-optische modulator
Het wereldwijde dataverkeer blijft groeien, gedreven door de wijdverspreide toepassing van nieuwe technologieën zoals 5G en kunstmatige intelligentie (AI). Dit brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee voor transceivers op alle niveaus van optische netwerken. Met name de volgende generatie elektro-optische modulatortechnologie vereist een aanzienlijke verhoging van de dataoverdrachtssnelheid tot 200 Gbps in een enkel kanaal, terwijl tegelijkertijd het energieverbruik en de kosten worden verlaagd. De afgelopen jaren is siliciumfotonica-technologie veelvuldig gebruikt in de markt voor optische transceivers, voornamelijk omdat siliciumfotonica massaal geproduceerd kan worden met behulp van het beproefde CMOS-proces. SOI-elektro-optische modulatoren die afhankelijk zijn van dragerdispersie, kampen echter met grote uitdagingen op het gebied van bandbreedte, energieverbruik, absorptie door vrije ladingsdragers en modulatie-niet-lineariteit. Andere technologische ontwikkelingen in de industrie omvatten InP, dunnefilm lithiumniobaat (LNOI), elektro-optische polymeren en andere multi-platform heterogene integratieoplossingen. LNOI wordt beschouwd als de oplossing die de beste prestaties kan leveren op het gebied van ultrasnelle en energiezuinige modulatie. Momenteel kampt het echter met uitdagingen op het gebied van massaproductie en kosten. Recentelijk heeft het team een geïntegreerd fotonisch platform op basis van dunne lithiumtantalaat (LTOI) gelanceerd met uitstekende foto-elektrische eigenschappen en grootschalige productie. Naar verwachting zal dit platform in veel toepassingen de prestaties van lithiumniobaat- en siliciumoptische platforms evenaren of zelfs overtreffen. Tot nu toe is het kernapparaat van LTOI echter nog niet volledig ontwikkeld.optische communicatieDe ultrasnelle elektro-optische modulator is nog niet geverifieerd in LTOI.
In deze studie ontwierpen de onderzoekers eerst de LTOI-elektro-optische modulator, waarvan de structuur in Figuur 1 wordt weergegeven. Door het ontwerp van de structuur van elke laag lithiumtantalaat op de isolator en de parameters van de microgolfelektrode werd de voortplantingssnelheid van microgolven en lichtgolven op elkaar afgestemd.elektro-optische modulatoris gerealiseerd. Om het verlies van de microgolfelektrode te verminderen, hebben de onderzoekers in dit werk voor het eerst het gebruik van zilver als elektrodemateriaal met een betere geleidbaarheid voorgesteld. Het is aangetoond dat de zilveren elektrode het microgolfverlies met 82% vermindert in vergelijking met de veelgebruikte gouden elektrode.
FIG. 1 Structuur van een LTOI elektro-optische modulator, faseaanpassingsontwerp, test van het verlies van microgolfelektroden.
Figuur 2 toont de experimentele opstelling 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 signaalsnelheid van 176 GBd en een gemeten BER van 3,8 × 10⁻² onder de drempel van 25% SD-FEC. Voor zowel 200 GBd PAM4 als 208 GBd PAM2 was de BER significant lager dan de drempel van 15% SD-FEC en 7% HD-FEC. De resultaten van de oogtest en de 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.
FIG. 2 Experiment met behulp van een 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 signaalsnelheid; (c) De geëxtraheerde bruikbare informatiesnelheid (AIR, stippellijn) en de bijbehorende netto datasnelheid (NDR, doorgetrokken lijn) voor metingen met bitfoutfrequentiewaarden onder de 25% SD-FEC-limiet; (d) Oogdiagrammen en statistische histogrammen onder PAM2-, PAM4- en PAM8-modulatie.
Dit werk demonstreert de eerste snelle LTOI-elektro-optische modulator met een 3 dB-bandbreedte van 110 GHz. In IMDD-transmissie-experimenten (Instruction Modulation Direct Detection) behaalt het apparaat een netto datasnelheid van 405 Gbit/s per draaggolf, wat vergelijkbaar is met de beste prestaties van bestaande elektro-optische platforms zoals LNOI- en plasmamodulatoren. In de toekomst zal het apparaat complexere technologieën gebruiken.IQ-modulatorDoor gebruik te maken van geavanceerdere signaalfoutcorrectietechnieken of substraten met een lager microgolfverlies, zoals kwartssubstraten, zullen lithiumtantalaat-apparaten naar verwachting communicatiesnelheden van 2 Tbit/s of hoger bereiken. In combinatie met de specifieke voordelen van LTOI, zoals een lagere birefringentie en het schaaleffect als gevolg van de wijdverspreide 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.
Geplaatst op: 11 december 2024