Lithiumtantalat (LTOI) Hochgeschwindigkeitelektrooptischer Modulator
Der globale Datenverkehr wächst kontinuierlich, angetrieben durch die flächendeckende Einführung neuer Technologien wie 5G und künstlicher Intelligenz (KI). Dies stellt Transceiver auf allen Ebenen optischer Netzwerke vor erhebliche Herausforderungen. Insbesondere die elektrooptische Modulatortechnologie der nächsten Generation erfordert eine deutliche Erhöhung der Datenübertragungsraten auf 200 Gbit/s pro Kanal bei gleichzeitiger Reduzierung von Energieverbrauch und Kosten. In den letzten Jahren hat sich die Silizium-Photonik-Technologie im Markt für optische Transceiver weit verbreitet, hauptsächlich aufgrund der Möglichkeit zur Massenproduktion von Silizium-Photonik im ausgereiften CMOS-Prozess. SOI-elektrooptische Modulatoren, die auf Trägerdispersion basieren, stehen jedoch vor großen Herausforderungen hinsichtlich Bandbreite, Stromverbrauch, freier Trägerabsorption und Modulationsnichtlinearität. Weitere Technologieansätze in der Branche umfassen InP, Dünnschicht-Lithiumniobat-LNOI, elektrooptische Polymere und andere plattformübergreifende heterogene Integrationslösungen. LNOI gilt als die Lösung mit der besten Leistung bei ultraschneller und stromsparender Modulation, weist jedoch derzeit einige Herausforderungen hinsichtlich des Massenproduktionsprozesses und der Kosten auf. Kürzlich brachte das Team eine integrierte photonische Plattform mit Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) auf den Markt, die hervorragende photoelektrische Eigenschaften aufweist und in großem Maßstab hergestellt werden kann. Es wird erwartet, dass diese Plattform in vielen Anwendungen die Leistung von optischen Plattformen aus Lithiumniobat und Silizium erreichen oder sogar übertreffen wird. Bisher war das Kerngerät vonoptische Kommunikation, der ultraschnelle elektrooptische Modulator, wurde in LTOI nicht verifiziert.
In dieser Studie entwarfen die Forscher zunächst den elektrooptischen LTOI-Modulator, dessen Struktur in Abbildung 1 dargestellt ist. Durch die Gestaltung der Struktur jeder Lithiumtantalatschicht auf dem Isolator und die Parameter der Mikrowellenelektrode wurde die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mikrowellen und Lichtwellen in derelektrooptischer Modulatorwird realisiert. Um den Verlust der Mikrowellenelektrode zu reduzieren, schlugen die Forscher in dieser Arbeit erstmals die Verwendung von Silber als Elektrodenmaterial mit besserer Leitfähigkeit vor. Es zeigte sich, dass die Silberelektrode den Mikrowellenverlust im Vergleich zur weit verbreiteten Goldelektrode um 82 % reduzierte.
ABB. 1 Struktur eines elektrooptischen LTOI-Modulators, Phasenanpassungsdesign, Mikrowellenelektrodenverlusttest.
FIG. 2 zeigt den experimentellen Aufbau und die Ergebnisse des elektrooptischen LTOI-Modulators fürintensitätsmoduliertDirekte Detektion (IMDD) in optischen Kommunikationssystemen. Die Experimente zeigen, dass der elektrooptische LTOI-Modulator PAM8-Signale mit einer Vorzeichenrate von 176 GBd und einer gemessenen Bitfehlerrate (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 der Schwelle von 15 % SD-FEC und 7 % HD-FEC. Die Ergebnisse des Augen- und Histogrammtests in Abbildung 3 verdeutlichen, dass der elektrooptische LTOI-Modulator in Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen mit hoher Linearität und niedriger Bitfehlerrate eingesetzt werden kann.
Abb. 2 Experiment mit LTOI elektrooptischem Modulator fürIntensitätsmoduliertDirekte Detektion (IMDD) in einem optischen Kommunikationssystem (a) Versuchsgerät; (b) Die gemessene Bitfehlerrate (BER) von PAM8- (rot), PAM4- (grün) und PAM2-Signalen (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-, PAM8-Modulation.
Diese Arbeit demonstriert den ersten Hochgeschwindigkeits-LTOI-elektrooptischen Modulator mit einer 3-dB-Bandbreite von 110 GHz. In IMDD-Übertragungsexperimenten mit Intensitätsmodulation und direkter Detektion erreicht das Gerät eine Nettodatenrate von 405 Gbit/s pro Träger, was mit der besten Leistung bestehender elektrooptischer Plattformen wie LNOI und Plasmamodulatoren vergleichbar ist. Zukünftig könnten komplexereIQ-ModulatorMit LTOI-Designs, fortschrittlicheren Verfahren zur Signalfehlerkorrektur oder der Verwendung von Substraten mit geringeren Mikrowellenverlusten, wie beispielsweise Quarzsubstraten, werden Lithiumtantalat-Bauelemente voraussichtlich Übertragungsraten von 2 Tbit/s oder mehr erreichen. In Kombination mit den spezifischen Vorteilen von LTOI, wie der geringeren Doppelbrechung und dem Skaleneffekt aufgrund der weit verbreiteten Anwendung in anderen HF-Filtermärkten, wird die Lithiumtantalat-Photonik-Technologie kostengünstige, stromsparende und ultraschnelle Lösungen für optische Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetze und Mikrowellenphotonik-Systeme der nächsten Generation bieten.
Veröffentlichungszeit: 11. Dezember 2024