tantalato di litio (LTOI) ad alta velocitàmodulatore elettro-ottico
Il traffico dati globale continua a crescere, spinto dall'adozione diffusa di nuove tecnologie come il 5G e l'intelligenza artificiale (IA), il che pone sfide significative per i ricetrasmettitori a tutti i livelli delle reti ottiche. In particolare, la tecnologia dei modulatori elettro-ottici di prossima generazione richiede un aumento significativo delle velocità di trasferimento dati fino 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 ricetrasmettitori ottici, principalmente perché la fotonica al silicio può essere prodotta in serie utilizzando il consolidato processo CMOS. Tuttavia, i modulatori elettro-ottici SOI che si basano sulla dispersione dei portatori di carica presentano grandi sfide in termini di larghezza di banda, consumo energetico, assorbimento dei portatori liberi e non linearità di modulazione. Altre soluzioni tecnologiche presenti nel settore includono InP, niobato di litio a film sottile (LNOI), polimeri elettro-ottici e altre soluzioni di integrazione eterogenea multi-piattaforma. LNOI è considerata la soluzione in grado di raggiungere le migliori prestazioni in termini di modulazione ad altissima velocità e basso consumo energetico, tuttavia, attualmente presenta 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 dovrebbe eguagliare o addirittura superare le prestazioni delle piattaforme ottiche di niobato di litio e silicio in molte applicazioni. Tuttavia, fino ad ora, il dispositivo centrale dicomunicazione otticaIl 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 corrispondenza della velocità di propagazione delle microonde e dell'onda luminosa nelmodulatore elettro-otticoè realizzato. In termini di riduzione delle perdite dell'elettrodo a microonde, i ricercatori in questo lavoro hanno proposto per la prima volta l'uso dell'argento come materiale per l'elettrodo con una migliore conduttività, e si è dimostrato che l'elettrodo d'argento riduce le perdite di microonde dell'82% rispetto all'elettrodo d'oro ampiamente utilizzato.
FIG. 1 Struttura del modulatore elettro-ottico LTOI, progetto di adattamento di fase, test di perdita dell'elettrodo a microonde.
La FIG. 2 mostra l'apparato sperimentale e i risultati del modulatore elettro-ottico LTOI permodulazione di intensitàrilevamento diretto (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 SD-FEC del 25%. Sia per PAM4 a 200 GBd che per PAM2 a 208 GBd, il BER è risultato significativamente inferiore alla soglia SD-FEC del 15% e HD-FEC del 7%. I risultati dei test a occhio e dell'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 con 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 informazione utilizzabile estratto (AIR, linea tratteggiata) e relativo tasso di dati netto (NDR, linea continua) per misurazioni con valori del tasso di errore di bit inferiori al limite SD-FEC del 25%; (d) Mappe a occhio 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 a 3 dB di 110 GHz. Negli esperimenti di trasmissione IMDD a rilevamento diretto con modulazione di intensità, il dispositivo raggiunge una velocità di trasmissione dati netta a portante singola di 405 Gbit/s, paragonabile alle migliori prestazioni delle piattaforme elettro-ottiche esistenti come LNOI e modulatori al plasma. In futuro, utilizzando sistemi più complessiModulatore del QIGrazie a progetti più avanzati o a tecniche di correzione degli errori di segnale più sofisticate, o all'utilizzo di substrati con minori perdite a microonde come i substrati di quarzo, si prevede che i dispositivi al tantalato di litio raggiungeranno 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 ampia applicazione in altri mercati dei filtri RF, la tecnologia fotonica al tantalato di litio fornirà soluzioni a basso costo, a basso consumo energetico e ad altissima velocità per le reti di comunicazione ottica ad alta velocità di prossima generazione e per i sistemi di fotonica a microonde.
Data di pubblicazione: 11 dicembre 2024