Modulator elektro-optik kecepatan tinggi litium tantalat (LTOI)

Litium tantalat (LTOI) kecepatan tinggimodulator elektro-optik

Lalu lintas data global terus tumbuh, didorong oleh adopsi teknologi baru yang meluas seperti 5G dan kecerdasan buatan (AI), yang menimbulkan tantangan signifikan bagi transceiver di semua tingkat jaringan optik. Secara spesifik, teknologi modulator elektro-optik generasi berikutnya membutuhkan peningkatan kecepatan transfer data yang signifikan hingga 200 Gbps dalam satu kanal sekaligus mengurangi konsumsi energi dan biaya. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi fotonik silikon telah banyak digunakan di pasar transceiver optik, terutama karena fotonik silikon dapat diproduksi secara massal menggunakan proses CMOS yang matang. Namun, modulator elektro-optik SOI yang mengandalkan dispersi pembawa menghadapi tantangan besar dalam hal bandwidth, konsumsi daya, penyerapan pembawa bebas, dan nonlinieritas modulasi. Jalur teknologi lain dalam industri ini meliputi InP, LNOI litium niobate film tipis, polimer elektro-optik, dan solusi integrasi heterogen multi-platform lainnya. LNOI dianggap sebagai solusi yang dapat mencapai kinerja terbaik dalam modulasi kecepatan ultra-tinggi dan daya rendah, namun saat ini memiliki beberapa tantangan dalam hal proses produksi massal dan biaya. Baru-baru ini, tim meluncurkan platform fotonik terintegrasi litium tantalat (LTOI) lapisan tipis dengan sifat fotolistrik yang sangat baik dan kemampuan manufaktur berskala besar, yang diharapkan dapat menyamai atau bahkan melampaui kinerja platform optik litium niobat dan silikon dalam berbagai aplikasi. Namun, hingga saat ini, perangkat inti darikomunikasi optik, modulator elektro-optik kecepatan ultra tinggi, belum diverifikasi dalam LTOI.

Pada penelitian ini, peneliti terlebih dahulu merancang modulator elektro-optik LTOI yang strukturnya ditunjukkan pada Gambar 1. Melalui perancangan struktur masing-masing lapisan litium tantalat pada isolator dan parameter elektroda gelombang mikro, maka dapat dilakukan pencocokan kecepatan rambat gelombang mikro dan cahaya padamodulator elektro-optikDalam hal mengurangi kerugian akibat elektroda gelombang mikro, para peneliti dalam penelitian ini untuk pertama kalinya mengusulkan penggunaan perak sebagai material elektroda dengan konduktivitas yang lebih baik, dan elektroda perak terbukti mampu mengurangi kerugian akibat gelombang mikro hingga 82% dibandingkan dengan elektroda emas yang umum digunakan.

GAMBAR 1 Struktur modulator elektro-optik LTOI, desain pencocokan fase, uji kehilangan elektroda gelombang mikro.

GAMBAR 2 menunjukkan peralatan eksperimen dan hasil modulator elektro-optik LTOI untukintensitas termodulasiDeteksi langsung (IMDD) dalam sistem komunikasi optik. Eksperimen menunjukkan bahwa modulator elektro-optik LTOI dapat mentransmisikan sinyal PAM8 pada laju tanda 176 GBd dengan BER terukur 3,8×10⁻² di bawah ambang batas 25% SD-FEC. Untuk PAM4 200 GBd dan PAM2 208 GBd, BER secara signifikan lebih rendah daripada ambang batas 15% SD-FEC dan 7% HD-FEC. Hasil uji mata dan histogram pada Gambar 3 secara visual menunjukkan bahwa modulator elektro-optik LTOI dapat digunakan dalam sistem komunikasi berkecepatan tinggi dengan linearitas tinggi dan laju kesalahan bit rendah.

GAMBAR 2 Percobaan menggunakan modulator elektro-optik LTOI untukIntensitas termodulasiDeteksi Langsung (IMDD) dalam sistem komunikasi optik (a) perangkat eksperimen; (b) Laju kesalahan bit (BER) terukur dari sinyal PAM8 (merah), PAM4 (hijau), dan PAM2 (biru) sebagai fungsi laju tanda; (c) Laju informasi yang dapat digunakan yang diekstraksi (AIR, garis putus-putus) dan laju data bersih terkait (NDR, garis padat) untuk pengukuran dengan nilai laju kesalahan bit di bawah batas 25% SD-FEC; (d) Peta mata dan histogram statistik di bawah modulasi PAM2, PAM4, PAM8.

Karya ini mendemonstrasikan modulator elektro-optik LTOI berkecepatan tinggi pertama dengan bandwidth 3 dB pada 110 GHz. Dalam eksperimen transmisi IMDD deteksi langsung modulasi intensitas, perangkat ini mencapai laju data bersih pembawa tunggal sebesar 405 Gbit/dtk, yang sebanding dengan kinerja terbaik platform elektro-optik yang ada seperti LNOI dan modulator plasma. Di masa mendatang, penggunaan modulator yang lebih kompleksModulator IQDesain atau teknik koreksi kesalahan sinyal yang lebih canggih, atau penggunaan substrat dengan rugi gelombang mikro yang lebih rendah seperti substrat kuarsa, perangkat litium tantalat diharapkan dapat mencapai laju komunikasi 2 Tbit/dtk atau lebih tinggi. Dikombinasikan dengan keunggulan spesifik LTOI, seperti birefringensi yang lebih rendah dan efek skala karena aplikasinya yang luas di pasar filter RF lainnya, teknologi fotonik litium tantalat akan menyediakan solusi berbiaya rendah, berdaya rendah, dan berkecepatan sangat tinggi untuk jaringan komunikasi optik berkecepatan tinggi generasi mendatang dan sistem fotonik gelombang mikro.