Lithium tantalate (LTOI) high speed electro-optic modulator

Mataas na bilis ng Lithium tantalate (LTOI).electro-optic modulator

Ang trapiko ng data sa buong mundo ay patuloy na lumalaki, na hinihimok ng malawakang paggamit ng mga bagong teknolohiya tulad ng 5G at artificial intelligence (AI), na nagdudulot ng malalaking hamon para sa mga transceiver sa lahat ng antas ng optical network. Sa partikular, ang susunod na henerasyong teknolohiya ng electro-optic modulator ay nangangailangan ng makabuluhang pagtaas sa mga rate ng paglilipat ng data sa 200 Gbps sa isang channel habang binabawasan ang pagkonsumo ng enerhiya at mga gastos. Sa nakalipas na ilang taon, ang teknolohiya ng silicon photonics ay malawakang ginagamit sa merkado ng optical transceiver, pangunahin dahil sa katotohanan na ang mga silikon na photonic ay maaaring ma-mass-produce gamit ang mature na proseso ng CMOS. Gayunpaman, ang mga SOI electro-optic modulators na umaasa sa carrier dispersion ay nahaharap sa malalaking hamon sa bandwidth, power consumption, libreng carrier absorption at modulation nonlinearity. Kasama sa iba pang mga ruta ng teknolohiya sa industriya ang InP, thin film lithium niobate LNOI, electro-optical polymers, at iba pang multi-platform na heterogenous integration solution. Ang LNOI ay itinuturing na solusyon na makakamit ang pinakamahusay na pagganap sa ultra-high speed at low power modulation, gayunpaman, ito ay kasalukuyang may ilang mga hamon sa mga tuntunin ng mass production na proseso at gastos. Kamakailan lamang, ang koponan ay naglunsad ng isang manipis na film lithium tantalate (LTOI) integrated photonic platform na may mahusay na photoelectric properties at malakihang pagmamanupaktura, na inaasahang tumutugma o kahit na lumampas sa pagganap ng lithium niobate at silicon optical platform sa maraming mga aplikasyon. Gayunpaman, hanggang ngayon, ang pangunahing aparato ngoptical na komunikasyon, ang ultra-high speed electro-optic modulator, ay hindi na-verify sa LTOI.

Sa pag-aaral na ito, unang idinisenyo ng mga mananaliksik ang LTOI electro-optic modulator, ang istraktura nito ay ipinapakita sa Figure 1. Sa pamamagitan ng disenyo ng istraktura ng bawat layer ng lithium tantalate sa insulator at ang mga parameter ng microwave electrode, ang propagation speed matching ng microwave at light wave saelectro-optical modulatoray napagtanto. Sa mga tuntunin ng pagbabawas ng pagkawala ng microwave electrode, ang mga mananaliksik sa gawaing ito sa unang pagkakataon ay iminungkahi ang paggamit ng pilak bilang isang materyal na elektrod na may mas mahusay na kondaktibiti, at ang pilak na elektrod ay ipinakita upang mabawasan ang pagkawala ng microwave sa 82% kumpara sa malawakang ginagamit na gintong elektrod.

FIG. 1 LTOI electro-optic modulator structure, phase matching design, microwave electrode loss test.

FIG. 2 ay nagpapakita ng pang-eksperimentong kagamitan at mga resulta ng LTOI electro-optic modulator para sana-modulate ang intensitydirect detection (IMDD) sa mga optical na sistema ng komunikasyon. Ipinapakita ng mga eksperimento na ang LTOI electro-optic modulator ay maaaring magpadala ng mga signal ng PAM8 sa sign rate na 176 GBd na may sinusukat na BER na 3.8×10⁻² sa ibaba ng 25% SD-FEC threshold. Para sa parehong 200 GBd PAM4 at 208 GBd PAM2, ang BER ay makabuluhang mas mababa kaysa sa threshold na 15% SD-FEC at 7% HD-FEC. Ang mga resulta ng pagsusuri sa mata at histogram sa Figure 3 ay biswal na nagpapakita na ang LTOI electro-optic modulator ay maaaring gamitin sa mga high-speed na sistema ng komunikasyon na may mataas na linearity at mababang bit error rate.

FIG. 2 Eksperimento gamit ang LTOI electro-optic modulator para saIntensity modulatedDirect Detection (IMDD) sa optical communication system (a) experimental device; (b) Ang sinusukat na bit error rate (BER) ng PAM8(pula), PAM4(berde) at PAM2(asul) na signal bilang isang function ng sign rate; (c) Extracted na magagamit na rate ng impormasyon (AIR, dashed line) at nauugnay na net data rate (NDR, solid line) para sa mga sukat na may bit-error rate na mga value na mas mababa sa 25% SD-FEC na limitasyon; (d) Mga mapa ng mata at istatistikang histogram sa ilalim ng modulasyon ng PAM2, PAM4, PAM8.

Ang gawaing ito ay nagpapakita ng unang high-speed LTOI electro-optic modulator na may 3 dB bandwidth na 110 GHz. Sa intensity modulation direct detection IMDD transmission experiments, nakakamit ng device ang isang carrier net data rate na 405 Gbit/s, na maihahambing sa pinakamahusay na performance ng mga kasalukuyang electro-optical platform gaya ng LNOI at plasma modulators. Sa hinaharap, gamit ang mas kumplikadoIQ modulatormga disenyo o mas advanced na mga diskarte sa pagwawasto ng error ng signal, o paggamit ng mas mababang mga substrate ng pagkawala ng microwave gaya ng mga substrate ng quartz, inaasahang makakamit ng mga lithium tantalate device ang mga rate ng komunikasyon na 2 Tbit/s o mas mataas. Kasama ang mga partikular na pakinabang ng LTOI, tulad ng mas mababang birefringence at ang sukat na epekto dahil sa malawakang paggamit nito sa iba pang mga merkado ng filter ng RF, ang teknolohiya ng lithium tantalate photonics ay magbibigay ng mura, mababang-kapangyarihan at napakabilis na mga solusyon para sa susunod na henerasyong mataas. -speed optical communication network at microwave photonics system.