Lithiumtantalat (LTOI) Hochgeschwindigkeitelektrooptischer Modulator
Der globale Datenverkehr wächst stetig, angetrieben durch die breite Anwendung neuer Technologien wie 5G und Künstlicher Intelligenz (KI). Dies stellt Transceiver auf allen Ebenen optischer Netzwerke vor erhebliche Herausforderungen. Insbesondere die nächste Generation elektrooptischer Modulatoren erfordert eine deutliche Steigerung der Datenübertragungsraten auf 200 Gbit/s pro Kanal bei gleichzeitig reduziertem Energieverbrauch und geringeren Kosten. In den letzten Jahren hat sich die Siliziumphotonik-Technologie im Markt für optische Transceiver weit verbreitet, vor allem aufgrund ihrer Massenproduktionsfähigkeit im ausgereiften CMOS-Verfahren. SOI-Modulatoren, die auf Trägerdispersion basieren, stehen jedoch vor großen Herausforderungen hinsichtlich Bandbreite, Stromverbrauch, Absorption freier Ladungsträger und Modulationsnichtlinearität. Weitere technologische Ansätze in der Branche umfassen InP, Dünnschicht-Lithiumniobat (LNOI), elektrooptische Polymere und andere heterogene Integrationslösungen für verschiedene Plattformen. LNOI gilt als die Lösung mit dem besten Potenzial für ultraschnelle und energieeffiziente Modulation, weist jedoch aktuell noch Herausforderungen in Bezug auf Massenproduktion und Kosten auf. Kürzlich stellte das Team eine integrierte photonische Plattform auf Basis von Lithiumtantalat-Dünnschichten (LTOI) vor, die sich durch exzellente photoelektrische Eigenschaften und die Möglichkeit zur großflächigen Fertigung auszeichnet. Diese Plattform soll in vielen Anwendungen die Leistung von optischen Plattformen auf Lithiumniobat- und Siliziumbasis erreichen oder sogar übertreffen. Bislang besteht jedoch noch kein Kernbauelement aus …optische KommunikationDer ultraschnelle elektrooptische Modulator wurde in LTOI noch nicht verifiziert.
In dieser Studie entwarfen die Forscher zunächst den LTOI-elektrooptischen 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 im Modulator angepasst.elektrooptischer ModulatorDies wird erreicht. Im Hinblick auf die Reduzierung der Verluste der Mikrowellenelektrode schlugen die Forscher in dieser Arbeit erstmals die Verwendung von Silber als Elektrodenmaterial mit besserer Leitfähigkeit vor, und es konnte gezeigt werden, dass die Silberelektrode die Mikrowellenverluste im Vergleich zur weit verbreiteten Goldelektrode um 82 % reduziert.
Abb. 1 Struktur des LTOI-elektrooptischen Modulators, Phasenanpassungsdesign, Mikrowellenelektrodenverlusttest.
Abb. 2 zeigt den Versuchsaufbau und die Ergebnisse des elektrooptischen LTOI-Modulators fürintensitätsmoduliertDirekte Detektion (IMDD) in optischen Kommunikationssystemen. Die Experimente zeigen, dass der elektrooptische Modulator LTOI PAM8-Signale mit einer Signalrate 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 den Schwellenwerten von 15 % SD-FEC bzw. 7 % HD-FEC. Die Ergebnisse der Augen- und Histogrammprüfung in Abbildung 3 veranschaulichen, dass der elektrooptische Modulator LTOI in Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen mit hoher Linearität und niedriger Bitfehlerrate eingesetzt werden kann.
Abb. 2 Experiment mit einem elektrooptischen LTOI-Modulator fürIntensitätsmoduliertDirekte Detektion (IMDD) in optischen Kommunikationssystemen: (a) Versuchsaufbau; (b) Gemessene Bitfehlerrate (BER) von PAM8- (rot), PAM4- (grün) und PAM2-Signalen (blau) in Abhängigkeit von der Vorzeichenrate; (c) Extrahierte nutzbare Informationsrate (AIR, gestrichelte Linie) und zugehörige Nettodatenrate (NDR, durchgezogene Linie) für Messungen mit Bitfehlerraten unterhalb der 25%-SD-FEC-Grenze; (d) Augendiagramme und statistische Histogramme bei PAM2-, PAM4- und PAM8-Modulation.
Diese Arbeit demonstriert den ersten Hochgeschwindigkeits-LTOI-elektrooptischen Modulator mit einer 3-dB-Bandbreite von 110 GHz. In IMDD-Übertragungsexperimenten (Intensity Modulation Direct Detection) erreicht das Gerät eine Nettodatenrate von 405 Gbit/s mit einem einzelnen Träger. Dies ist vergleichbar mit der besten Leistung bestehender elektrooptischer Plattformen wie LNOI- und Plasmamodulatoren. Zukünftig sollen komplexere Systeme eingesetzt werden.IQ-ModulatorDurch optimierte Designs, fortschrittlichere Signalfehlerkorrekturverfahren oder die Verwendung verlustärmerer Substrate wie Quarzsubstrate 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 seiner weitverbreiteten Anwendung in anderen HF-Filtermärkten, bietet die Lithiumtantalat-Photoniktechnologie kostengünstige, energieeffiziente und extrem schnelle Lösungen für optische Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetze und Mikrowellenphotoniksysteme der nächsten Generation.
Veröffentlichungsdatum: 11. Dezember 2024