Litiumtantalat (LTOI) hög hastighetelektrooptisk modulator
Den globala datatrafiken fortsätter att växa, drivet av det utbredda införandet av nya tekniker som 5G och artificiell intelligens (AI), vilket innebär betydande utmaningar för transceivrar på alla nivåer av optiska nätverk. Mer specifikt kräver nästa generations elektrooptiska modulatorteknik en betydande ökning av dataöverföringshastigheterna till 200 Gbps i en enda kanal samtidigt som energiförbrukning och kostnader minskas. Under de senaste åren har kiselfotonikteknik använts i stor utsträckning på marknaden för optiska transceivrar, främst på grund av att kiselfotonik kan massproduceras med hjälp av den mogna CMOS-processen. SOI-elektrooptiska modulatorer som förlitar sig på bärvågsdispersion står dock inför stora utmaningar vad gäller bandbredd, strömförbrukning, absorption av fri bärvåg och moduleringsickelinjäritet. Andra teknikvägar i branschen inkluderar InP, tunnfilmslitiumniobat LNOI, elektrooptiska polymerer och andra heterogena integrationslösningar för flera plattformar. LNOI anses vara den lösning som kan uppnå bästa prestanda vid ultrahög hastighet och låg effektmodulering, men den har för närvarande vissa utmaningar när det gäller massproduktionsprocess och kostnad. Nyligen lanserade teamet en integrerad fotonisk plattform med tunnfilmslitiumtantalat (LTOI) med utmärkta fotoelektriska egenskaper och storskalig tillverkning, vilken förväntas matcha eller till och med överträffa prestandan hos optiska plattformar för litiumniobat och kisel i många tillämpningar. Hittills har dock kärnkomponenten ioptisk kommunikation, den ultrasnabba elektrooptiska modulatorn, har inte verifierats i LTOI.
I denna studie designade forskarna först den elektrooptiska LTOI-modulatorn, vars struktur visas i figur 1. Genom utformningen av strukturen för varje lager av litiumtantalat på isolatorn och parametrarna för mikrovågselektroden, matchades utbredningshastigheten för mikrovågs- och ljusvågor ielektrooptisk modulatorrealiseras. När det gäller att minska förlusten av mikrovågselektroden föreslog forskarna i detta arbete för första gången användningen av silver som ett elektrodmaterial med bättre konduktivitet, och silverelektroden visade sig minska mikrovågsförlusten till 82 % jämfört med den allmänt använda guldelektroden.
FIG. 1 LTOI elektrooptisk modulatorstruktur, fasmatchningsdesign, mikrovågselektrodförlusttest.
FIG. 2 visar den experimentella apparaten och resultaten av den elektrooptiska LTOI-modulatorn förintensitetsmoduleraddirektdetektering (IMDD) i optiska kommunikationssystem. Experimenten visar att den elektrooptiska LTOI-modulatorn kan sända PAM8-signaler med en teckenhastighet på 176 GBd med en uppmätt BER på 3,8×10⁻² under tröskelvärdet på 25 % SD-FEC. För både 200 GBd PAM4 och 208 GBd PAM2 var BER signifikant lägre än tröskelvärdet på 15 % SD-FEC och 7 % HD-FEC. Resultaten av ögon- och histogramtestet i figur 3 visar visuellt att den elektrooptiska LTOI-modulatorn kan användas i höghastighetskommunikationssystem med hög linjäritet och låg bitfelsfrekvens.
FIG. 2 Experiment med LTOI elektrooptisk modulator förIntensitetsmoduleradDirektdetektering (IMDD) i optiskt kommunikationssystem (a) experimentell anordning; (b) Den uppmätta bitfelsfrekvensen (BER) för PAM8 (röd), PAM4 (grön) och PAM2 (blå) signaler som en funktion av teckenfrekvensen; (c) Extraherad användbar informationshastighet (AIR, streckad linje) och tillhörande nettodatahastighet (NDR, heldragen linje) för mätningar med bitfelsvärden under 25 % SD-FEC-gränsen; (d) Ögonkartor och statistiska histogram under PAM2-, PAM4-, PAM8-modulering.
Detta arbete demonstrerar den första höghastighets-LTOI-elektrooptiska modulatorn med en 3 dB bandbredd på 110 GHz. I intensitetsmoduleringsexperiment med direktdetektering av IMDD-överföring uppnår enheten en nettodatahastighet på 405 Gbit/s med en enda bärvåg, vilket är jämförbart med den bästa prestandan hos befintliga elektrooptiska plattformar som LNOI och plasmamodulatorer. I framtiden, med hjälp av mer komplexaIQ-modulatorGenom att använda konstruktioner eller mer avancerade tekniker för korrigering av signalfel, eller genom att använda substrat med lägre mikrovågsförlust, såsom kvartssubstrat, förväntas litiumtantalatkomponenter uppnå kommunikationshastigheter på 2 Tbit/s eller högre. Kombinerat med LTOI:s specifika fördelar, såsom lägre dubbelbrytning och skalningseffekten på grund av dess utbredda tillämpning på andra RF-filtermarknader, kommer litiumtantalatfotonikteknik att ge kostnadseffektiva, energisnåla och ultrasnabba lösningar för nästa generations höghastighetsoptiska kommunikationsnätverk och mikrovågsfotoniksystem.
Publiceringstid: 11 december 2024