Litiumtantalaatti (LTOI) nopeasähköoptinen modulaattori
Maailmanlaajuinen dataliikenne kasvaa jatkuvasti uusien teknologioiden, kuten 5G:n ja tekoälyn (AI), laajamittaisen käyttöönoton myötä. Tämä asettaa merkittäviä haasteita lähetin-vastaanottimille kaikilla optisten verkkojen tasoilla. Tarkemmin sanottuna seuraavan sukupolven elektro-optinen modulaattoriteknologia vaatii merkittävää tiedonsiirtonopeuden lisäämistä 200 Gbps:ään yhdessä kanavassa samalla, kun energiankulutusta ja kustannuksia vähennetään. Viime vuosina piifotoniikkateknologiaa on käytetty laajalti optisten lähetin-vastaanottimien markkinoilla, pääasiassa siksi, että piifotoniikkaa voidaan massatuottaa käyttämällä kypsää CMOS-prosessia. Kantoaallon hajautukseen perustuvat SOI-elektro-optiset modulaattorit kohtaavat kuitenkin suuria haasteita kaistanleveyden, tehonkulutuksen, vapaan kantoaallon absorption ja modulaation epälineaarisuuden suhteen. Muita alan teknologiareittejä ovat InP, ohutkalvoinen litiumniobaatti-LNOI, elektro-optiset polymeerit ja muut monialustaiset heterogeeniset integrointiratkaisut. LNOI:ta pidetään ratkaisuna, joka voi saavuttaa parhaan suorituskyvyn erittäin nopeassa ja pienitehoisessa moduloinnissa, mutta sillä on tällä hetkellä joitakin haasteita massatuotantoprosessin ja kustannusten suhteen. Hiljattain tiimi lanseerasi ohutkalvoisen litiumtantalaatista (LTOI) valmistetun integroidun fotoniikka-alustan, jolla on erinomaiset fotoelektriset ominaisuudet ja laajamittainen valmistus. Sen odotetaan vastaavan litiumniobaatin ja piioptisten alustojen suorituskykyä tai jopa ylittävän sen monissa sovelluksissa. Tähän asti ydinosa on kuitenkin...optinen viestintä, erittäin nopeaa sähköoptista modulaattoria, ei ole varmistettu LTOI:ssa.
Tässä tutkimuksessa tutkijat suunnittelivat ensin LTOI-elektro-optisen modulaattorin, jonka rakenne on esitetty kuvassa 1. Eristeen jokaisen litiumtantalaattikerroksen rakenteen ja mikroaaltoelektrodin parametrien suunnittelun avulla mikroaaltojen ja valoaaltojen etenemisnopeudet voidaan sovittaa yhteen.sähköoptinen modulaattoritoteutuu. Mikroaaltoelektrodin häviön vähentämisen osalta tutkijat ehdottivat tässä työssä ensimmäistä kertaa hopean käyttöä paremman johtavuuden omaavana elektrodimateriaalina, ja hopeaelektrodin osoitettiin vähentävän mikroaaltohäviötä 82 prosenttiin laajalti käytettyyn kultaelektrodiin verrattuna.
KUVA 1. LTOI-elektrooptisen modulaattorin rakenne, vaihesovitussuunnittelu, mikroaaltoelektrodihäviötesti.
KUVA 2 esittää LTOI-sähköoptisen modulaattorin kokeellisen laitteiston ja tuloksetintensiteettimoduloitusuora havaitseminen (IMDD) optisissa tietoliikennejärjestelmissä. Kokeet osoittavat, että LTOI-sähköoptinen modulaattori pystyy lähettämään PAM8-signaaleja 176 Gtd:n merkkinopeudella mitatun BER:n ollessa 3,8×10⁻² alle 25 %:n SD-FEC-kynnyksen. Sekä 200 Gtd:n PAM4:n että 208 Gtd:n PAM2:n BER oli merkittävästi alhaisempi kuin 15 %:n SD-FEC:n ja 7 %:n HD-FEC:n kynnysarvot. Kuvassa 3 esitetyt silmä- ja histogrammitestit osoittavat visuaalisesti, että LTOI-sähköoptista modulaattoria voidaan käyttää nopeissa tietoliikennejärjestelmissä, joilla on korkea lineaarisuus ja alhainen bittivirhesuhde.
KUVA 2. Koe LTOI-elektro-optisen modulaattorin avullaIntensiteettimoduloituSuora havaitseminen (IMDD) optisessa tietoliikennejärjestelmässä (a) kokeellinen laite; (b) PAM8- (punainen), PAM4- (vihreä) ja PAM2- (sininen) signaalien mitattu bittivirhesuhde (BER) etumerkkinopeuden funktiona; (c) Erotettu käytettävissä oleva informaationopeus (AIR, katkoviiva) ja siihen liittyvä nettodatanopeus (NDR, yhtenäinen viiva) mittauksille, joiden bittivirhesuhteen arvot ovat alle 25 %:n SD-FEC-rajan; (d) Silmäkartat ja tilastolliset histogrammit PAM2-, PAM4- ja PAM8-modulaatioilla.
Tämä työ esittelee ensimmäisen nopean LTOI-elektrooptisen modulaattorin, jonka kaistanleveys on 3 dB ja taajuus 110 GHz. Intensiteettimodulaatioon perustuvissa suoran havaitsemisen IMDD-siirtokokeissa laite saavuttaa 405 Gbit/s:n yksittäisen kantoaallon nettonopeuden, joka on verrattavissa olemassa olevien elektrooptisten alustojen, kuten LNOI:n ja plasmamodulaattoreiden, parhaaseen suorituskykyyn. Tulevaisuudessa monimutkaisempien...IQ-modulaattoriRakenteiden tai kehittyneempien signaalivirheiden korjaustekniikoiden tai pienemmän mikroaaltohäviön omaavien substraattien, kuten kvartsisubstraattien, käytön ansiosta litiumtantalaatti-laitteiden odotetaan saavuttavan 2 Tbit/s tai suuremman tiedonsiirtonopeuden. Yhdistettynä LTOI:n erityisiin etuihin, kuten pienempään kahtaistaittavuuteen ja skaalausvaikutukseen, joka johtuu sen laajamittaisesta käytöstä muilla RF-suodatinmarkkinoilla, litiumtantalaatti-fotoniikkateknologia tarjoaa edullisia, vähän virtaa kuluttavia ja erittäin nopeita ratkaisuja seuraavan sukupolven nopeille optisille tietoliikenneverkoille ja mikroaaltofotoniikkajärjestelmille.
Julkaisun aika: 11.12.2024