Modulador electroóptico de alta velocidad de tantalato de litio (LTOI)

Tantalato de litio (LTOI) de alta velocidadmodulador electroóptico

El tráfico global de datos continúa creciendo, impulsado por la adopción generalizada de nuevas tecnologías como 5G e inteligencia artificial (IA), lo que plantea desafíos significativos para los transceptores en todos los niveles de las redes ópticas. Específicamente, la tecnología de moduladores electroópticos de próxima generación requiere un aumento significativo en las velocidades de transferencia de datos a 200 Gbps en un solo canal, a la vez que reduce el consumo de energía y los costos. En los últimos años, la tecnología de fotónica de silicio se ha utilizado ampliamente en el mercado de transceptores ópticos, principalmente debido a que la fotónica de silicio puede producirse en masa utilizando el proceso CMOS maduro. Sin embargo, los moduladores electroópticos SOI que dependen de la dispersión de portadoras enfrentan grandes desafíos en el ancho de banda, el consumo de energía, la absorción de portadoras libres y la no linealidad de la modulación. Otras rutas tecnológicas en la industria incluyen InP, niobato de litio de película delgada LNOI, polímeros electroópticos y otras soluciones de integración heterogéneas multiplataforma. Se considera que LNOI es la solución que puede lograr el mejor rendimiento en modulación de ultraalta velocidad y baja potencia. Sin embargo, actualmente presenta algunos desafíos en términos de proceso de producción en masa y costo. Recientemente, el equipo lanzó una plataforma fotónica integrada de tantalato de litio de película delgada (LTOI) con excelentes propiedades fotoeléctricas y fabricación a gran escala, que se espera iguale o incluso supere el rendimiento de las plataformas ópticas de niobato de litio y silicio en muchas aplicaciones. Sin embargo, hasta ahora, el dispositivo principal decomunicación óptica, el modulador electroóptico de ultra alta velocidad, no ha sido verificado en LTOI.

En este estudio, los investigadores diseñaron primero el modulador electroóptico LTOI, cuya estructura se muestra en la Figura 1. A través del diseño de la estructura de cada capa de tantalato de litio en el aislante y los parámetros del electrodo de microondas, se determinó la correspondencia de la velocidad de propagación de las microondas y las ondas de luz en elmodulador electroópticoPara reducir la pérdida del electrodo de microondas, los investigadores de este trabajo propusieron por primera vez el uso de plata como material de electrodo con mejor conductividad, y demostraron que este electrodo reduce la pérdida de microondas hasta en un 82 % en comparación con el electrodo de oro, ampliamente utilizado.

FIG. 1 Estructura del modulador electroóptico LTOI, diseño de adaptación de fase, prueba de pérdida de electrodo de microondas.

La FIG. 2 muestra el aparato experimental y los resultados del modulador electroóptico LTOI paraintensidad moduladaDetección directa (IMDD) en sistemas de comunicación óptica. Los experimentos muestran que el modulador electroóptico LTOI puede transmitir señales PAM8 a una tasa de señal de 176 GBd con una BER medida de 3,8 × 10⁻² por debajo del umbral del 25 % de SD-FEC. Tanto para PAM4 de 200 GBd como para PAM2 de 208 GBd, la BER fue significativamente inferior al umbral del 15 % de SD-FEC y del 7 % de HD-FEC. Los resultados de las pruebas de ojo e histograma en la Figura 3 demuestran visualmente que el modulador electroóptico LTOI puede utilizarse en sistemas de comunicación de alta velocidad con alta linealidad y baja tasa de error de bits.

FIG. 2 Experimento utilizando modulador electroóptico LTOI paraIntensidad moduladaDetección directa (IMDD) en sistemas de comunicación óptica (a) dispositivo experimental; (b) Tasa de error de bits medida (BER) de las señales PAM8 (rojo), PAM4 (verde) y PAM2 (azul) en función de la tasa de señal; (c) Tasa de información utilizable extraída (AIR, línea discontinua) y tasa de datos neta asociada (NDR, línea continua) para mediciones con valores de tasa de error de bits por debajo del límite de 25% SD-FEC; (d) Mapas de ojo e histogramas estadísticos bajo modulación PAM2, PAM4, PAM8.

Este trabajo demuestra el primer modulador electroóptico LTOI de alta velocidad con un ancho de banda de 3 dB a 110 GHz. En experimentos de transmisión IMDD con detección directa de modulación de intensidad, el dispositivo alcanza una velocidad neta de datos de una sola portadora de 405 Gbit/s, comparable al mejor rendimiento de las plataformas electroópticas existentes, como los moduladores LNOI y de plasma. En el futuro, se utilizarán tecnologías más complejas.Modulador de CISe espera que los dispositivos de tantalato de litio, ya sea con diseños o técnicas más avanzadas de corrección de errores de señal, o utilizando sustratos con menor pérdida de microondas, como los de cuarzo, alcancen velocidades de comunicación de 2 Tbit/s o superiores. Combinado con las ventajas específicas de LTOI, como la menor birrefringencia y el efecto de escala debido a su amplia aplicación en otros mercados de filtros de RF, la tecnología fotónica de tantalato de litio proporcionará soluciones de bajo costo, bajo consumo y ultraalta velocidad para las redes de comunicación óptica de alta velocidad y los sistemas fotónicos de microondas de próxima generación.