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 приемопередатчиков 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 приемопередатчиков, главным образом благодаря тому, что кремниевая фотоника может производиться массово с использованием отработанного процесса КМОП. Однако электрооптические модуляторы SOI, которые полагаются на дисперсию носителей, сталкиваются с большими проблемами в области полосы пропускания, энергопотребления, поглощения свободных носителей и нелинейности модуляции. Другие технологические направления в отрасли включают InP, тонкопленочный ниобат лития LNOI, электрооптические полимеры и другие многоплатформенные гетерогенные интеграционные решения. LNOI считается решением, позволяющим достичь наилучших характеристик при сверхвысокоскоростной модуляции с низким энергопотреблением. Однако в настоящее время существуют некоторые трудности, связанные с массовым производством и стоимостью. Недавно группа разработчиков представила интегрированную фотонную платформу на основе тонкоплёночного танталата лития (LTOI) с превосходными фотоэлектрическими свойствами и возможностью крупносерийного производства. Ожидается, что она будет соответствовать или даже превосходить оптические платформы на основе ниобата лития и кремния во многих приложениях. Однако до сих пор ядро устройства…оптическая связь, сверхскоростной электрооптический модулятор, не был проверен в LTOI.
В этом исследовании исследователи впервые разработали 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 модуляторРеализовано. Что касается снижения потерь микроволнового электрода, исследователи в данной работе впервые предложили использовать серебро в качестве электродного материала с лучшей проводимостью. 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 микроволновые потери электрода.
На рис. 2 показана экспериментальная установка и результаты электрооптического модулятора LTOI дляинтенсивность модулированаПрямое детектирование (IMDD) в оптических системах связи. Эксперименты показывают, что электрооптический модулятор LTOI может передавать сигналы PAM8 со знаковой скоростью 176 ГБод с измеренным значением BER 3,8×10⁻² ниже порогового значения SD-FEC 25%. Для PAM4 200 ГБод и PAM2 208 ГБод BER был значительно ниже пороговых значений SD-FEC 15% и HD-FEC 7%. Результаты глазковой диаграммы и гистограммы 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 детектирование (IMDD) в оптической системе связи (a) экспериментальное устройство; (b) измеренный коэффициент битовых ошибок (BER) сигналов PAM8 (красный), PAM4 (зеленый) и PAM2 (синий) как функция скорости знака; (c) извлеченная полезная скорость передачи данных (AIR, пунктирная линия) и соответствующая чистая скорость передачи данных (NDR, сплошная линия) для измерений со значениями коэффициента битовых ошибок ниже предела SD-FEC 25%; (d) глазковые карты и статистические гистограммы при модуляции PAM2, PAM4, PAM8.
В данной работе продемонстрирован первый высокоскоростной электрооптический модулятор LTOI с полосой пропускания 110 ГГц по уровню 3 дБ. В экспериментах по передаче данных с прямым детектированием модуляции интенсивности устройство достигло чистой скорости передачи данных на одной несущей 405 Гбит/с, что сопоставимо с лучшими характеристиками существующих электрооптических платформ, таких как LNOI и плазменные модуляторы. В будущем, с использованием более сложныхмодулятор IQОжидается, что благодаря применению более современных технологий коррекции ошибок сигнала или подложек с низкими микроволновыми потерями, таких как кварцевые, устройства на основе танталата лития смогут достичь скорости передачи данных 2 Тбит/с и выше. В сочетании с особыми преимуществами LTOI, такими как низкое двулучепреломление и масштабный эффект, обусловленный широким применением на других рынках СВЧ-фильтров, технология фотоники на основе танталата лития обеспечит недорогие, маломощные и сверхскоростные решения для высокоскоростных оптических сетей связи и систем микроволновой фотоники следующего поколения.
Время публикации: 11 декабря 2024 г.