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

Alta velocidade de tantalato de lítio (LTOI)modulador eletro-óptico

O tráfego global de dados continua a crescer, impulsionado pela ampla adoção de novas tecnologias como o 5G e a inteligência artificial (IA), o que impõe desafios significativos para os transceptores em todos os níveis das redes ópticas. Especificamente, a tecnologia de moduladores eletro-ópticos de próxima geração exige um aumento significativo nas taxas de transferência de dados para 200 Gbps em um único canal, reduzindo simultaneamente o consumo de energia e os custos. Nos últimos anos, a tecnologia de 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 utilizando o processo CMOS já consolidado. No entanto, os moduladores eletro-ópticos SOI, que dependem da dispersão de portadores, enfrentam grandes desafios em termos de largura de banda, consumo de energia, absorção de portadores livres e não linearidade da modulação. Outras rotas tecnológicas na indústria incluem InP, niobato de lítio em filme fino (LNOI), polímeros eletro-ópticos e outras soluções de integração heterogênea multiplataforma. O LNOI é considerado a solução que pode alcançar o melhor desempenho em modulação de ultra-alta velocidade e baixo consumo de energia; 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 filme fino (LTOI) com excelentes propriedades fotoelétricas e capacidade de fabricação em larga escala, que deverá igualar ou até mesmo superar o desempenho das plataformas ópticas de niobato de lítio e silício em diversas aplicações. No entanto, até o momento, o dispositivo central decomunicação ópticaO modulador eletro-óptico de ultra-alta velocidade, não foi verificado em LTOI.

Neste estudo, os pesquisadores projetaram inicialmente 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 isolante e dos parâmetros do eletrodo de micro-ondas, foi possível obter a correspondência da velocidade de propagação das ondas de micro-ondas e de luz no modulador.modulador eletro-ópticoé constatado. Em termos de redução da perda do eletrodo de micro-ondas, os pesquisadores deste trabalho propuseram, pela primeira vez, o uso de prata como material de eletrodo com melhor condutividade, e o eletrodo de prata demonstrou reduzir a perda de micro-ondas em 82% em comparação com o eletrodo de ouro amplamente utilizado.

FIG. 1 Estrutura do modulador eletro-óptico LTOI, projeto de casamento de fase, teste de perda do 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% do SD-FEC. Tanto para PAM4 a 200 GBd quanto para PAM2 a 208 GBd, a BER foi significativamente menor que os limites de 15% do SD-FEC e 7% do 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 bit.

FIG. 2 Experimento utilizando modulador eletro-óptico LTOI paraIntensidade moduladaDetecção Direta (IMDD) em sistema de comunicação óptica: (a) dispositivo experimental; (b) Taxa de erro de bit (BER) medida para sinais PAM8 (vermelho), PAM4 (verde) e PAM2 (azul) em função da taxa de sinal; (c) Taxa de informação utilizável extraída (AIR, linha tracejada) e taxa de dados líquida associada (NDR, linha contínua) para medições com valores de taxa de erro de bit abaixo do limite de 25% SD-FEC; (d) Mapas de olho e histogramas estatísticos sob modulação PAM2, PAM4 e 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 (detecção direta por 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 moduladores LNOI e de plasma. No futuro, utilizando tecnologias mais complexas, o dispositivo poderá ser aprimorado.modulador de QICom projetos aprimorados ou técnicas mais avançadas de correção de erros de sinal, ou utilizando substratos com menor perda em micro-ondas, como substratos de quartzo, espera-se que os dispositivos de tantalato de lítio alcancem taxas de comunicação de 2 Tbit/s ou superiores. 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 radiofrequência, a tecnologia fotônica de tantalato de lítio fornecerá soluções de baixo custo, baixo consumo de energia e altíssima velocidade para redes de comunicação óptica de alta velocidade de próxima geração e sistemas fotônicos de micro-ondas.