Modulator elektro-optik kecepatan tinggi litium tantalat (LTOI)

Lithium tantalate (LTOI) kecepatan tinggimodulator elektro-optik

Lalu lintas data global terus meningkat, didorong oleh adopsi luas teknologi baru seperti 5G dan kecerdasan buatan (AI), yang menimbulkan tantangan signifikan bagi transceiver di semua tingkatan jaringan optik. Secara khusus, teknologi modulator elektro-optik generasi berikutnya membutuhkan peningkatan signifikan dalam laju transfer data hingga 200 Gbps dalam satu saluran sambil 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 sudah mapan. Namun, modulator elektro-optik SOI yang bergantung pada dispersi pembawa menghadapi tantangan besar dalam hal bandwidth, konsumsi daya, penyerapan pembawa bebas, dan nonlinieritas modulasi. Jalur teknologi lain di industri ini meliputi InP, film tipis litium niobate LNOI, 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 tersebut meluncurkan platform fotonik terintegrasi lithium tantalat (LTOI) film tipis dengan sifat fotolistrik yang sangat baik dan manufaktur skala besar, yang diharapkan dapat menyamai atau bahkan melampaui kinerja platform optik lithium niobate dan silikon dalam banyak aplikasi. Namun, hingga saat ini, perangkat inti darikomunikasi optikModulator elektro-optik berkecepatan ultra tinggi tersebut belum diverifikasi di LTOI.

Dalam penelitian ini, para peneliti pertama kali merancang modulator elektro-optik LTOI, yang strukturnya ditunjukkan pada Gambar 1. Melalui desain struktur setiap lapisan litium tantalat pada isolator dan parameter elektroda gelombang mikro, pencocokan kecepatan propagasi gelombang mikro dan gelombang cahaya dalammodulator elektro-optikHal ini terwujud. Dalam hal mengurangi kerugian elektroda gelombang mikro, para peneliti dalam penelitian ini untuk pertama kalinya mengusulkan penggunaan perak sebagai bahan elektroda dengan konduktivitas yang lebih baik, dan elektroda perak terbukti mengurangi kerugian gelombang mikro hingga 82% dibandingkan dengan elektroda emas yang banyak digunakan.

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

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

GAMBAR 2 Percobaan menggunakan modulator elektro-optik LTOI untukIntensitas termodulasiDeteksi Langsung (IMDD) dalam sistem komunikasi optik (a) perangkat eksperimental; (b) Tingkat kesalahan bit (BER) terukur dari sinyal PAM8 (merah), PAM4 (hijau), dan PAM2 (biru) sebagai fungsi dari laju tanda; (c) Laju informasi yang dapat digunakan (AIR, garis putus-putus) dan laju data bersih terkait (NDR, garis solid) untuk pengukuran dengan nilai tingkat kesalahan bit di bawah batas SD-FEC 25%; (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 sebesar 110 GHz. Dalam eksperimen transmisi deteksi langsung modulasi intensitas (IMDD), perangkat ini mencapai laju data bersih pembawa tunggal sebesar 405 Gbit/s, yang sebanding dengan kinerja terbaik dari platform elektro-optik yang ada seperti modulator LNOI dan plasma. Di masa mendatang, penggunaan yang lebih kompleksModulator IQDengan menggunakan desain yang lebih canggih atau teknik koreksi kesalahan sinyal yang lebih mutakhir, atau menggunakan substrat dengan kehilangan gelombang mikro yang lebih rendah seperti substrat kuarsa, perangkat litium tantalat diharapkan dapat mencapai kecepatan komunikasi 2 Tbit/s atau lebih tinggi. Dikombinasikan dengan keunggulan spesifik LTOI, seperti bias ganda 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 berikutnya dan sistem fotonik gelombang mikro.