Танталат лития (LTOI) высокоскоростнойэлектрооптический модулятор
Глобальный трафик данных продолжает расти, что обусловлено широким внедрением новых технологий, таких как 5G и искусственный интеллект (ИИ), что создает значительные проблемы для трансиверов на всех уровнях оптических сетей. В частности, технология электрооптических модуляторов следующего поколения требует значительного увеличения скорости передачи данных до 200 Гбит/с в одном канале при одновременном снижении энергопотребления и затрат. В последние несколько лет технология кремниевой фотоники широко используется на рынке оптических трансиверов, в основном из-за того, что кремниевую фотонику можно производить массово с использованием зрелого процесса КМОП. Однако электрооптические модуляторы SOI, которые полагаются на дисперсию носителей, сталкиваются с большими проблемами в полосе пропускания, энергопотреблении, поглощении свободных носителей и нелинейности модуляции. Другие технологические пути в отрасли включают InP, тонкопленочный ниобат лития LNOI, электрооптические полимеры и другие многоплатформенные гетерогенные интеграционные решения. LNOI считается решением, которое может достичь наилучшей производительности при сверхвысокой скорости и малой мощности модуляции, однако в настоящее время оно имеет некоторые проблемы с точки зрения процесса массового производства и стоимости. Недавно команда запустила интегрированную фотонную платформу на основе тонкопленочного танталата лития (LTOI) с превосходными фотоэлектрическими свойствами и крупномасштабным производством, которая, как ожидается, будет соответствовать или даже превосходить производительность оптических платформ на основе ниобата лития и кремния во многих приложениях. Однако до сих пор основное устройствооптическая связь, сверхскоростной электрооптический модулятор, не был проверен в LTOI.
В этом исследовании ученые впервые спроектировали электрооптический модулятор LTOI, структура которого показана на рисунке 1. Благодаря разработке структуры каждого слоя танталата лития на изоляторе и параметрам микроволнового электрода, согласование скорости распространения микроволновой и световой волны вэлектрооптический модуляторреализуется. С точки зрения снижения потерь микроволнового электрода исследователи в этой работе впервые предложили использовать серебро в качестве электродного материала с лучшей проводимостью, и было показано, что серебряный электрод снижает микроволновые потери до 82% по сравнению с широко используемым золотым электродом.
РИС. 1 Структура электрооптического модулятора LTOI, конструкция фазового согласования, испытание на потерю СВЧ-электрода.
На рис. 2 показана экспериментальная установка и результаты электрооптического модулятора LTOI дляинтенсивность модулированнаяпрямое детектирование (IMDD) в оптических системах связи. Эксперименты показывают, что электрооптический модулятор LTOI может передавать сигналы PAM8 со скоростью передачи знаков 176 ГБод с измеренным BER 3,8×10⁻² ниже порога SD-FEC 25%. Для обоих 200 ГБод PAM4 и 208 ГБод PAM2 BER был значительно ниже порога SD-FEC 15% и HD-FEC 7%. Результаты глазкового и гистограммного тестов на рисунке 3 наглядно демонстрируют, что электрооптический модулятор LTOI может использоваться в высокоскоростных системах связи с высокой линейностью и низкой частотой битовых ошибок.
Рис. 2 Эксперимент с использованием электрооптического модулятора LTOI дляИнтенсивность модулированнаяПрямое обнаружение (IMDD) в оптической системе связи (a) экспериментальное устройство; (b) измеренная частота ошибок по битам (BER) сигналов PAM8 (красный), PAM4 (зеленый) и PAM2 (синий) как функция скорости знака; (c) извлеченная полезная скорость передачи информации (AIR, пунктирная линия) и связанная с ней чистая скорость передачи данных (NDR, сплошная линия) для измерений со значениями частоты ошибок по битам ниже предела SD-FEC 25%; (d) глазковые карты и статистические гистограммы при модуляции PAM2, PAM4, PAM8.
В этой работе демонстрируется первый высокоскоростной электрооптический модулятор LTOI с полосой пропускания 3 дБ 110 ГГц. В экспериментах по передаче с прямым детектированием модуляции интенсивности устройство достигает чистой скорости передачи данных на одной несущей 405 Гбит/с, что сопоставимо с лучшими показателями существующих электрооптических платформ, таких как LNOI и плазменные модуляторы. В будущем, используя более сложныемодулятор IQконструкции или более продвинутые методы коррекции ошибок сигнала, или использование подложек с меньшими потерями в микроволновом диапазоне, таких как кварцевые подложки, устройства на основе танталата лития, как ожидается, достигнут скорости передачи данных 2 Тбит/с или выше. В сочетании с особыми преимуществами LTOI, такими как более низкое двулучепреломление и эффект масштаба из-за его широкого применения на других рынках РЧ-фильтров, технология фотоники на основе танталата лития обеспечит недорогие, маломощные и сверхскоростные решения для высокоскоростных оптических сетей связи следующего поколения и систем микроволновой фотоники.
Время публикации: 11 декабря 2024 г.