Modulator elektro-optik berkelajuan tinggi litium tantalat (LTOI)

Litium tantalat (LTOI) berkelajuan tinggimodulator elektro-optik

Trafik data global terus berkembang, didorong oleh penggunaan teknologi baharu yang meluas seperti 5G dan kecerdasan buatan (AI), yang menimbulkan cabaran ketara untuk transceiver di semua peringkat rangkaian optik. Secara khususnya, teknologi modulator elektro-optik generasi akan datang memerlukan peningkatan ketara dalam kadar pemindahan data kepada 200 Gbps dalam satu saluran sambil mengurangkan penggunaan tenaga dan kos. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi fotonik silikon telah digunakan secara meluas dalam pasaran transceiver optik, terutamanya disebabkan oleh fakta bahawa fotonik silikon boleh dihasilkan secara besar-besaran menggunakan proses CMOS matang. Walau bagaimanapun, modulator elektro-optik SOI yang bergantung pada penyebaran pembawa menghadapi cabaran besar dalam lebar jalur, penggunaan kuasa, penyerapan pembawa bebas dan ketaklinearan modulasi. Laluan teknologi lain dalam industri termasuk InP, LNOI litium niobate filem nipis, polimer elektro-optik dan penyelesaian integrasi heterogen berbilang platform yang lain. LNOI dianggap sebagai penyelesaian yang boleh mencapai prestasi terbaik dalam modulasi berkelajuan ultra tinggi dan kuasa rendah, namun, ia kini mempunyai beberapa cabaran dari segi proses pengeluaran besar-besaran dan kos. Baru-baru ini, pasukan itu melancarkan platform fotonik bersepadu litium tantalat filem nipis (LTOI) dengan sifat fotoelektrik yang sangat baik dan pembuatan berskala besar, yang dijangka menyamai atau melebihi prestasi platform optik litium niobate dan silikon dalam banyak aplikasi. Walau bagaimanapun, sehingga kini, peranti teras bagikomunikasi optik, modulator elektro-optik berkelajuan ultra tinggi, belum disahkan dalam LTOI.

Dalam kajian ini, para penyelidik mula-mula mereka bentuk modulator elektro-optik LTOI, yang strukturnya ditunjukkan dalam Rajah 1. Melalui reka bentuk struktur setiap lapisan litium tantalat pada penebat dan parameter elektrod gelombang mikro, padanan kelajuan perambatan gelombang mikro dan gelombang cahaya dalammodulator elektro-optikdirealisasikan. Dari segi mengurangkan kehilangan elektrod gelombang mikro, penyelidik dalam kajian ini buat kali pertama mencadangkan penggunaan perak sebagai bahan elektrod dengan kekonduksian yang lebih baik, dan elektrod perak terbukti dapat mengurangkan kehilangan gelombang mikro kepada 82% berbanding elektrod emas yang digunakan secara meluas.

RAJAH 1 Struktur modulator elektro-optik LTOI, reka bentuk padanan fasa, ujian kehilangan elektrod gelombang mikro.

RAJAH 2 menunjukkan radas eksperimen dan keputusan modulator elektro-optik LTOI untukkeamatan dimodulasipengesanan langsung (IMDD) dalam sistem komunikasi optik. Eksperimen menunjukkan bahawa modulator elektro-optik LTOI boleh menghantar isyarat PAM8 pada kadar isyarat 176 GBd dengan BER diukur 3.8×10⁻² di bawah ambang SD-FEC 25%. Bagi kedua-dua 200 GBd PAM4 dan 208 GBd PAM2, BER adalah jauh lebih rendah daripada ambang 15% SD-FEC dan 7% HD-FEC. Keputusan ujian mata dan histogram dalam Rajah 3 secara visual menunjukkan bahawa modulator elektro-optik LTOI boleh digunakan dalam sistem komunikasi berkelajuan tinggi dengan kelinearan tinggi dan kadar ralat bit yang rendah.

RAJAH 2 Eksperimen menggunakan modulator elektro-optik LTOI untukIntensiti dimodulasiPengesanan Langsung (IMDD) dalam sistem komunikasi optik (a) peranti eksperimen; (b) Kadar ralat bit (BER) yang diukur bagi isyarat PAM8(merah), PAM4(hijau) dan PAM2(biru) sebagai fungsi kadar tanda; (c) Kadar maklumat boleh guna yang diekstrak (AIR, garis putus-putus) dan kadar data bersih yang berkaitan (NDR, garis pepejal) untuk pengukuran dengan nilai kadar ralat bit di bawah had SD-FEC 25%; (d) Peta mata dan histogram statistik di bawah modulasi PAM2, PAM4, PAM8.

Kerja ini menunjukkan modulator elektro-optik LTOI berkelajuan tinggi pertama dengan lebar jalur 3 dB 110 GHz. Dalam eksperimen penghantaran IMDD pengesanan langsung modulasi intensiti, peranti ini mencapai kadar data bersih pembawa tunggal sebanyak 405 Gbit/s, yang setanding dengan prestasi terbaik platform elektro-optik sedia ada seperti LNOI dan modulator plasma. Pada masa hadapan, menggunakan modulator elektro-optik yang lebih kompleksModulator IQReka bentuk atau teknik pembetulan ralat isyarat yang lebih canggih, atau menggunakan substrat kehilangan gelombang mikro yang lebih rendah seperti substrat kuarza, peranti litium tantalat dijangka mencapai kadar komunikasi 2 Tbit/s atau lebih tinggi. Digabungkan dengan kelebihan khusus LTOI, seperti birefringence yang lebih rendah dan kesan skala disebabkan oleh aplikasinya yang meluas dalam pasaran penapis RF yang lain, teknologi fotonik litium tantalat akan menyediakan penyelesaian kos rendah, berkuasa rendah dan berkelajuan ultra tinggi untuk rangkaian komunikasi optik berkelajuan tinggi generasi akan datang dan sistem fotonik gelombang mikro.