Tantalato di litio (LTOI) ad alta velocitàmodulatore elettro-ottico
Il traffico dati globale continua a crescere, trainato dall'adozione diffusa di nuove tecnologie come il 5G e l'intelligenza artificiale (IA), che pongono sfide significative per i transceiver a tutti i livelli delle reti ottiche. In particolare, la tecnologia dei modulatori elettro-ottici di nuova generazione richiede un significativo aumento della velocità di trasferimento dati a 200 Gbps in un singolo canale, riducendo al contempo il consumo energetico e i costi. Negli ultimi anni, la tecnologia della fotonica al silicio è stata ampiamente utilizzata nel mercato dei transceiver ottici, principalmente grazie alla possibilità di produrre in serie la fotonica al silicio utilizzando il processo CMOS maturo. Tuttavia, i modulatori elettro-ottici SOI che si basano sulla dispersione dei portatori devono affrontare notevoli sfide in termini di larghezza di banda, consumo energetico, assorbimento dei portatori liberi e non linearità della modulazione. Altre tecnologie in questo settore includono InP, niobato di litio a film sottile (LNOI), polimeri elettro-ottici e altre soluzioni di integrazione eterogenea multipiattaforma. LNOI è considerata la soluzione in grado di raggiungere le migliori prestazioni nella modulazione ad altissima velocità e bassa potenza, tuttavia presenta attualmente alcune sfide in termini di processo di produzione di massa e costi. Recentemente, il team ha lanciato una piattaforma fotonica integrata a film sottile di tantalato di litio (LTOI) con eccellenti proprietà fotoelettriche e produzione su larga scala, che si prevede eguaglierà o addirittura supererà le prestazioni delle piattaforme ottiche in niobato di litio e silicio in molte applicazioni. Tuttavia, fino ad ora, il dispositivo principale dicomunicazione ottica, il modulatore elettro-ottico ad altissima velocità, non è stato verificato in LTOI.
In questo studio, i ricercatori hanno prima progettato il modulatore elettro-ottico LTOI, la cui struttura è mostrata nella Figura 1. Attraverso la progettazione della struttura di ogni strato di tantalato di litio sull'isolante e i parametri dell'elettrodo a microonde, la velocità di propagazione corrispondente delle microonde e delle onde luminose nelmodulatore elettro-otticoSi realizza. Per ridurre la perdita dell'elettrodo a microonde, i ricercatori in questo lavoro hanno proposto per la prima volta l'uso dell'argento come materiale per elettrodi con una migliore conduttività, e l'elettrodo in argento ha dimostrato di ridurre la perdita di microonde all'82% rispetto all'elettrodo in oro ampiamente utilizzato.
FIG. 1 Struttura del modulatore elettro-ottico LTOI, progettazione dell'adattamento di fase, test di perdita dell'elettrodo a microonde.
FIG. 2 mostra l'apparato sperimentale e i risultati del modulatore elettro-ottico LTOI perintensità modulataRilevazione diretta (IMDD) nei sistemi di comunicazione ottica. Gli esperimenti dimostrano che il modulatore elettro-ottico LTOI può trasmettere segnali PAM8 a una velocità di segno di 176 GBd con un BER misurato di 3,8×10⁻² al di sotto della soglia del 25% di SD-FEC. Sia per PAM4 da 200 GBd che per PAM2 da 208 GBd, il BER era significativamente inferiore alla soglia del 15% di SD-FEC e del 7% di HD-FEC. I risultati dei test a occhio e istogramma in Figura 3 dimostrano visivamente che il modulatore elettro-ottico LTOI può essere utilizzato in sistemi di comunicazione ad alta velocità con elevata linearità e basso tasso di errore di bit.
FIG. 2 Esperimento che utilizza il modulatore elettro-ottico LTOI perIntensità modulataRilevamento diretto (IMDD) nel sistema di comunicazione ottica (a) dispositivo sperimentale; (b) Tasso di errore di bit (BER) misurato dei segnali PAM8 (rosso), PAM4 (verde) e PAM2 (blu) in funzione del tasso di segno; (c) Tasso di informazioni utilizzabili estratte (AIR, linea tratteggiata) e velocità di dati netti associata (NDR, linea continua) per misurazioni con valori di tasso di errore di bit inferiori al limite SD-FEC del 25%; (d) Mappe oculari e istogrammi statistici con modulazione PAM2, PAM4, PAM8.
Questo lavoro dimostra il primo modulatore elettro-ottico LTOI ad alta velocità con una larghezza di banda di 3 dB pari a 110 GHz. Negli esperimenti di trasmissione IMDD a rilevamento diretto con modulazione di intensità, il dispositivo raggiunge una velocità di trasmissione netta dei dati a singola portante di 405 Gbit/s, paragonabile alle migliori prestazioni delle piattaforme elettro-ottiche esistenti come modulatori LNOI e al plasma. In futuro, utilizzando modulatori più complessi,modulatore del QIGrazie a progetti o tecniche di correzione degli errori di segnale più avanzate, o all'utilizzo di substrati a microonde con perdite inferiori come i substrati al quarzo, si prevede che i dispositivi al tantalato di litio raggiungano velocità di comunicazione pari o superiori a 2 Tbit/s. In combinazione con i vantaggi specifici dell'LTOI, come la minore birifrangenza e l'effetto scala dovuto alla sua diffusa applicazione in altri mercati dei filtri RF, la tecnologia fotonica al tantalato di litio fornirà soluzioni a basso costo, a basso consumo e ad altissima velocità per reti di comunicazione ottica ad alta velocità e sistemi fotonici a microonde di prossima generazione.
Data di pubblicazione: 11-12-2024