Modulador eletro-óptico de alta velocidade de tantalato de lítio (LTOI)

Tantalato de lítio (LTOI) de alta velocidademodulador eletro-óptico

O tráfego global de dados continua a crescer, impulsionado pela ampla adoção de novas tecnologias, como 5G e inteligência artificial (IA), o que representa desafios significativos para transceptores em todos os níveis de redes ópticas. Especificamente, a tecnologia de modulador eletro-óptico de próxima geração requer um aumento significativo nas taxas de transferência de dados para 200 Gbps em um único canal, reduzindo o consumo de energia e os custos. Nos últimos anos, a tecnologia fotônica de silício tem sido amplamente utilizada no mercado de transceptores ópticos, principalmente devido ao fato de que a fotônica de silício pode ser produzida em massa usando o processo CMOS maduro. No entanto, moduladores eletro-ópticos SOI que dependem de dispersão de portadora enfrentam grandes desafios em largura de banda, consumo de energia, absorção de portadora livre e não linearidade de modulação. Outras rotas tecnológicas na indústria incluem InP, niobato de lítio de filme fino LNOI, polímeros eletro-ópticos e outras soluções de integração heterogênea multiplataforma. O LNOI é considerado a solução que pode atingir o melhor desempenho em modulação de ultra-alta velocidade e baixa potência; no entanto, atualmente apresenta alguns desafios em termos de processo de produção em massa e custo. Recentemente, a equipe lançou uma plataforma fotônica integrada de tantalato de lítio em película fina (LTOI) com excelentes propriedades fotoelétricas e fabricação em larga escala, que deverá igualar ou até mesmo superar o desempenho das plataformas ópticas de niobato de lítio e silício em muitas aplicações. No entanto, até o momento, o dispositivo central decomunicação óptica, o modulador eletro-óptico de ultra-alta velocidade, não foi verificado em LTOI.

Neste estudo, os pesquisadores primeiro projetaram o modulador eletro-óptico LTOI, cuja estrutura é mostrada na Figura 1. Através do projeto da estrutura de cada camada de tantalato de lítio no isolador e dos parâmetros do eletrodo de micro-ondas, a correspondência da velocidade de propagação de micro-ondas e onda de luz nomodulador eletro-ópticoé realizado. Em termos de redução da perda de micro-ondas do eletrodo, os pesquisadores neste trabalho propuseram pela primeira vez o uso de prata como um material de eletrodo com melhor condutividade, e o eletrodo de prata demonstrou reduzir a perda de micro-ondas para 82% em comparação com o eletrodo de ouro amplamente utilizado.

FIG. 1 Estrutura do modulador eletro-óptico LTOI, projeto de correspondência de fase, teste de perda de eletrodo de micro-ondas.

A FIG. 2 mostra o aparato experimental e os resultados do modulador eletro-óptico LTOI paraintensidade moduladaDetecção direta (IMDD) em sistemas de comunicação óptica. Os experimentos mostram que o modulador eletro-óptico LTOI pode transmitir sinais PAM8 a uma taxa de sinal de 176 GBd com uma BER medida de 3,8×10⁻² abaixo do limite de 25% SD-FEC. Tanto para o PAM4 de 200 GBd quanto para o PAM2 de 208 GBd, a BER foi significativamente menor que o limite de 15% SD-FEC e 7% HD-FEC. Os resultados dos testes de olho e histograma na Figura 3 demonstram visualmente que o modulador eletro-óptico LTOI pode ser usado em sistemas de comunicação de alta velocidade com alta linearidade e baixa taxa de erro de bits.

FIG. 2 Experimento usando modulador eletro-óptico LTOI paraIntensidade moduladaDetecção direta (IMDD) em sistema de comunicação óptica (a) dispositivo experimental; (b) Taxa de erro de bit medida (BER) dos sinais PAM8 (vermelho), PAM4 (verde) e PAM2 (azul) como uma função da taxa de sinal; (c) Taxa de informação utilizável extraída (AIR, linha tracejada) e taxa de dados líquida associada (NDR, linha sólida) para medições com valores de taxa de erro de bit abaixo do limite de 25% SD-FEC; (d) Mapas oculares e histogramas estatísticos sob modulação PAM2, PAM4, PAM8.

Este trabalho demonstra o primeiro modulador eletro-óptico LTOI de alta velocidade com uma largura de banda de 3 dB de 110 GHz. Em experimentos de transmissão IMDD com detecção direta de modulação de intensidade, o dispositivo atinge uma taxa de dados líquida de portadora única de 405 Gbit/s, comparável ao melhor desempenho de plataformas eletro-ópticas existentes, como LNOI e moduladores de plasma. No futuro, com o uso de moduladores mais complexosModulador de QICom projetos ou técnicas de correção de erros de sinal mais avançadas, ou utilizando substratos com menor perda de micro-ondas, como substratos de quartzo, espera-se que os dispositivos de tantalato de lítio alcancem taxas de comunicação de 2 Tbit/s ou mais. Combinada com as vantagens específicas do LTOI, como menor birrefringência e o efeito de escala devido à sua ampla aplicação em outros mercados de filtros de RF, a tecnologia fotônica de tantalato de lítio fornecerá soluções de baixo custo, baixo consumo de energia e ultra-alta velocidade para redes de comunicação óptica de alta velocidade e sistemas fotônicos de micro-ondas de próxima geração.