Elektrooptischer Hochgeschwindigkeitsmodulator aus Lithiumtantalat (LTOI).

Lithiumtantalat (LTOI) mit hoher GeschwindigkeitElektrooptischer Modulator

Der weltweite Datenverkehr nimmt aufgrund der weit verbreiteten Einführung neuer Technologien wie 5G und künstlicher Intelligenz (KI) weiter zu, was Transceiver auf allen Ebenen optischer Netzwerke vor große Herausforderungen stellt. Insbesondere erfordert die elektrooptische Modulatortechnologie der nächsten Generation eine deutliche Steigerung der Datenübertragungsraten auf 200 Gbit/s in einem einzelnen Kanal bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs und der Kosten. In den letzten Jahren hat sich die Silizium-Photonik-Technologie auf dem Markt für optische Transceiver weit verbreitet, vor allem aufgrund der Tatsache, dass Silizium-Photonik mit dem ausgereiften CMOS-Prozess in Massenproduktion hergestellt werden kann. Elektrooptische SOI-Modulatoren, die auf Trägerdispersion basieren, stehen jedoch vor großen Herausforderungen hinsichtlich Bandbreite, Stromverbrauch, Absorption freier Träger und Nichtlinearität der Modulation. Weitere Technologierouten in der Branche umfassen InP, Dünnschicht-Lithiumniobat-LNOI, elektrooptische Polymere und andere heterogene Integrationslösungen für mehrere Plattformen. LNOI gilt als die Lösung, die die beste Leistung bei der Modulation mit ultrahoher Geschwindigkeit und geringer Leistung erzielen kann. Derzeit bestehen jedoch einige Herausforderungen hinsichtlich des Massenproduktionsprozesses und der Kosten. Kürzlich hat das Team eine integrierte photonische Dünnschicht-Lithiumtantalat-Plattform (LTOI) mit hervorragenden photoelektrischen Eigenschaften und großtechnischer Herstellung auf den Markt gebracht, die voraussichtlich in vielen Anwendungen die Leistung optischer Lithiumniobat- und Siliziumplattformen erreichen oder sogar übertreffen wird. Bisher war jedoch das Kerngerät vonoptische Kommunikation, der elektrooptische Ultrahochgeschwindigkeitsmodulator, wurde in LTOI nicht verifiziert.

In dieser Studie entwarfen die Forscher zunächst den elektrooptischen LTOI-Modulator, dessen Struktur in Abbildung 1 dargestellt ist. Durch das Design der Struktur jeder Schicht aus Lithiumtantalat auf dem Isolator und den Parametern der Mikrowellenelektrode wurde die Ausbreitung bestimmt Geschwindigkeitsanpassung von Mikrowelle und Lichtwelle in derelektrooptischer Modulatorwird realisiert. Im Hinblick auf die Verringerung des Verlusts der Mikrowellenelektrode schlugen die Forscher in dieser Arbeit erstmals die Verwendung von Silber als Elektrodenmaterial mit besserer Leitfähigkeit vor, und es wurde gezeigt, dass die Silberelektrode den Mikrowellenverlust im Vergleich zu 82 % reduziert weit verbreitete Goldelektrode.

FEIGE. 1 Struktur des elektrooptischen LTOI-Modulators, Phasenanpassungsdesign, Mikrowellen-Elektrodenverlusttest.

FEIGE. 2 zeigt die Versuchsapparatur und Ergebnisse des elektrooptischen LTOI-Modulators fürIntensität moduliertDirektdetektion (IMDD) in optischen Kommunikationssystemen. Die Experimente zeigen, dass der elektrooptische LTOI-Modulator PAM8-Signale mit einer Vorzeichenrate von 176 GBd mit einer gemessenen BER von 3,8×10⁻² unterhalb der 25 % SD-FEC-Schwelle übertragen kann. Sowohl für 200 GBd PAM4 als auch für 208 GBd PAM2 lag die BER deutlich unter dem Schwellenwert von 15 % SD-FEC und 7 % HD-FEC. Die Augen- und Histogrammtestergebnisse in Abbildung 3 zeigen deutlich, dass der elektrooptische LTOI-Modulator in Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen mit hoher Linearität und niedriger Bitfehlerrate verwendet werden kann.

FEIGE. 2 Experiment mit dem elektrooptischen LTOI-Modulator fürIntensitätsmoduliertDirektdetektion (IMDD) im optischen Kommunikationssystem (a) Versuchsgerät; (b) Die gemessene Bitfehlerrate (BER) der Signale PAM8 (rot), PAM4 (grün) und PAM2 (blau) als Funktion der Vorzeichenrate; (c) Extrahierte nutzbare Informationsrate (AIR, gestrichelte Linie) und zugehörige Nettodatenrate (NDR, durchgezogene Linie) für Messungen mit Bitfehlerratenwerten unterhalb der 25 % SD-FEC-Grenze; (d) Augenkarten und statistische Histogramme unter PAM2-, PAM4- und PAM8-Modulation.

Diese Arbeit demonstriert den ersten elektrooptischen Hochgeschwindigkeits-LTOI-Modulator mit einer 3-dB-Bandbreite von 110 GHz. Bei IMDD-Übertragungsexperimenten mit Intensitätsmodulation und direkter Detektion erreicht das Gerät eine Einzelträger-Nettodatenrate von 405 Gbit/s, was mit der besten Leistung bestehender elektrooptischer Plattformen wie LNOI und Plasmamodulatoren vergleichbar ist. In Zukunft wird die Verwendung komplexerIQ-ModulatorLithium-Tantalat-Geräte werden voraussichtlich Kommunikationsraten von 2 Tbit/s oder mehr erreichen. In Kombination mit den spezifischen Vorteilen von LTOI, wie der geringeren Doppelbrechung und dem Skaleneffekt aufgrund seiner weit verbreiteten Anwendung in anderen HF-Filtermärkten, wird die Lithiumtantalat-Photonik-Technologie kostengünstige, stromsparende und ultraschnelle Lösungen für die Hochgeschwindigkeitstechnologie der nächsten Generation bieten Hochgeschwindigkeits-optische Kommunikationsnetze und Mikrowellen-Photoniksysteme.