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

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El tráfico global de datos continúa creciendo, impulsado por la adopción generalizada de nuevas tecnologías como 5G e inteligencia artificial (IA), lo que plantea importantes desafíos 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 tasas de transferencia de datos a 200 Gbps en un solo canal, al tiempo 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 se puede producir en masa utilizando el proceso CMOS maduro. Sin embargo, los moduladores electroópticos SOI que dependen de la dispersión de portadores enfrentan grandes desafíos en ancho de banda, consumo de energía, absorción de portadores libres y no linealidad de modulación. Otras rutas tecnológicas en la industria incluyen InP, niobato de litio de película delgada (LNOI), polímeros electroópticos y otras soluciones de integración heterogénea multiplataforma. Se considera que LNOI es la solución que puede lograr el mejor rendimiento en modulación de ultra alta velocidad y bajo consumo de energía; 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 que 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 central decomunicación ópticaEl 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. Mediante el diseño de la estructura de cada capa de tantalato de litio sobre el aislante y los parámetros del electrodo de microondas, se logró la coincidencia de la velocidad de propagación de las ondas de microondas y luz en elmodulador electroópticoSe ha comprobado que, en cuanto a la reducción de las pérdidas 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 se demostró que el electrodo de plata reduce las pérdidas de microondas 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 electrodos de microondas.

La figura 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 SD-FEC del 25 %. Tanto para PAM4 de 200 GBd como para PAM2 de 208 GBd, la BER fue significativamente menor que el umbral SD-FEC del 15 % y HD-FEC del 7 %. Los resultados de la prueba 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 el modulador electroóptico LTOI paraIntensidad moduladaDetección directa (IMDD) en sistema de comunicación óptica (a) dispositivo experimental; (b) La tasa de error de bits (BER) medida de las señales PAM8 (rojo), PAM4 (verde) y PAM2 (azul) en función de la tasa de signo; (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 SD-FEC del 25%; (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 de 110 GHz. En experimentos de transmisión IMDD de detección directa por modulación de intensidad, el dispositivo alcanza una tasa de datos neta de portadora única de 405 Gbit/s, comparable al mejor rendimiento de las plataformas electroópticas existentes, como los moduladores LNOI y de plasma. En el futuro, utilizando moduladores más complejos...modulador de CIMediante diseños más avanzados o técnicas de corrección de errores de señal más sofisticadas, o utilizando sustratos con menor pérdida de microondas, como los de cuarzo, se espera que los dispositivos de tantalato de litio alcancen velocidades de comunicación de 2 Tbit/s o superiores. Combinada con las ventajas específicas del LTOI, como una menor birrefringencia y el efecto de escala debido a su amplia aplicación en otros mercados de filtros de radiofrecuencia, la tecnología fotónica de tantalato de litio proporcionará soluciones de bajo costo, bajo consumo y ultra alta velocidad para las redes de comunicación óptica de alta velocidad y los sistemas fotónicos de microondas de próxima generación.