Ηλεκτροοπτικός διαμορφωτής υψηλής ταχύτητας τανταλικού λιθίου (LTOI)

Τανταλικό λίθιο (LTOI) υψηλής ταχύτηταςηλεκτροοπτικός διαμορφωτής

Η παγκόσμια κίνηση δεδομένων συνεχίζει να αυξάνεται, λόγω της ευρείας υιοθέτησης νέων τεχνολογιών όπως το 5G και η τεχνητή νοημοσύνη (AI), γεγονός που θέτει σημαντικές προκλήσεις για τους πομποδέκτες σε όλα τα επίπεδα των οπτικών δικτύων. Συγκεκριμένα, η τεχνολογία ηλεκτροοπτικών διαμορφωτών επόμενης γενιάς απαιτεί σημαντική αύξηση των ρυθμών μεταφοράς δεδομένων στα 200 Gbps σε ένα μόνο κανάλι, μειώνοντας παράλληλα την κατανάλωση ενέργειας και το κόστος. Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία φωτονικής πυριτίου έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην αγορά οπτικών πομποδεκτών, κυρίως λόγω του γεγονότος ότι η φωτονική πυριτίου μπορεί να παραχθεί μαζικά χρησιμοποιώντας την ώριμη διαδικασία CMOS. Ωστόσο, οι ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές SOI που βασίζονται στη διασπορά φορέων αντιμετωπίζουν μεγάλες προκλήσεις στο εύρος ζώνης, την κατανάλωση ενέργειας, την απορρόφηση ελεύθερων φορέων και τη μη γραμμικότητα της διαμόρφωσης. Άλλες τεχνολογικές οδοί στον κλάδο περιλαμβάνουν το InP, το λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου LNOI, τα ηλεκτροοπτικά πολυμερή και άλλες πολυπλατφορμικές ετερογενείς λύσεις ολοκλήρωσης. Το LNOI θεωρείται η λύση που μπορεί να επιτύχει την καλύτερη απόδοση σε διαμόρφωση εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας και χαμηλής ισχύος, ωστόσο, επί του παρόντος αντιμετωπίζει ορισμένες προκλήσεις όσον αφορά τη διαδικασία μαζικής παραγωγής και το κόστος. Πρόσφατα, η ομάδα λάνσαρε μια ολοκληρωμένη φωτονική πλατφόρμα λεπτής μεμβράνης τανταλικού λιθίου (LTOI) με εξαιρετικές φωτοηλεκτρικές ιδιότητες και κατασκευή μεγάλης κλίμακας, η οποία αναμένεται να φτάσει ή και να ξεπεράσει την απόδοση των οπτικών πλατφορμών νιοβικού λιθίου και πυριτίου σε πολλές εφαρμογές. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, η βασική συσκευή του...οπτική επικοινωνία, ο ηλεκτροοπτικός διαμορφωτής εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας, δεν έχει επαληθευτεί σε LTOI.

Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές σχεδίασαν αρχικά τον ηλεκτροοπτικό διαμορφωτή LTOI, η δομή του οποίου φαίνεται στο Σχήμα 1. Μέσω του σχεδιασμού της δομής κάθε στρώματος τανταλικού λιθίου στον μονωτή και των παραμέτρων του ηλεκτροδίου μικροκυμάτων, η αντιστοίχιση της ταχύτητας διάδοσης του μικροκυματικού και του φωτεινού κύματος στοηλεκτροοπτικός διαμορφωτήςπραγματοποιείται. Όσον αφορά τη μείωση των απωλειών του ηλεκτροδίου μικροκυμάτων, οι ερευνητές σε αυτή την εργασία πρότειναν για πρώτη φορά τη χρήση αργύρου ως υλικού ηλεκτροδίου με καλύτερη αγωγιμότητα και το ηλεκτρόδιο αργύρου έδειξε ότι μειώνει τις απώλειες μικροκυμάτων στο 82% σε σύγκριση με το ευρέως χρησιμοποιούμενο ηλεκτρόδιο χρυσού.

ΣΧ. 1 Δομή ηλεκτροοπτικού διαμορφωτή LTOI, σχεδιασμός αντιστοίχισης φάσης, δοκιμή απώλειας ηλεκτροδίων μικροκυμάτων.

Το ΣΧ. 2 δείχνει την πειραματική συσκευή και τα αποτελέσματα του ηλεκτροοπτικού διαμορφωτή LTOI γιαδιαμορφωμένη έντασηάμεση ανίχνευση (IMDD) σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών. Τα πειράματα δείχνουν ότι ο ηλεκτροοπτικός διαμορφωτής LTOI μπορεί να μεταδώσει σήματα PAM8 με ρυθμό πρόσημου 176 GBd με μετρούμενο BER 3,8×10⁻² κάτω από το όριο SD-FEC 25%. Τόσο για τα 200 GBd PAM4 όσο και για τα 208 GBd PAM2, το BER ήταν σημαντικά χαμηλότερο από το όριο του 15% SD-FEC και του 7% HD-FEC. Τα αποτελέσματα των δοκιμών οφθαλμού και ιστογράμματος στο Σχήμα 3 δείχνουν οπτικά ότι ο ηλεκτροοπτικός διαμορφωτής LTOI μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συστήματα επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας με υψηλή γραμμικότητα και χαμηλό ποσοστό σφάλματος bit.

ΣΧ. 2 Πείραμα χρησιμοποιώντας ηλεκτροοπτικό διαμορφωτή LTOI γιαΈνταση διαμορφωμένηΆμεση Ανίχνευση (IMDD) σε οπτικό σύστημα επικοινωνίας (α) πειραματική συσκευή· (β) Ο μετρούμενος ρυθμός σφάλματος bit (BER) των σημάτων PAM8 (κόκκινο), PAM4 (πράσινο) και PAM2 (μπλε) ως συνάρτηση του ρυθμού πρόσημου· (γ) Εξαγόμενος ρυθμός χρησιμοποιήσιμων πληροφοριών (AIR, διακεκομμένη γραμμή) και ο σχετικός καθαρός ρυθμός δεδομένων (NDR, συνεχής γραμμή) για μετρήσεις με τιμές ρυθμού σφάλματος bit κάτω από το όριο SD-FEC 25%· (δ) Χάρτες ματιών και στατιστικά ιστογράμματα υπό διαμόρφωση PAM2, PAM4, PAM8.

Αυτή η εργασία παρουσιάζει τον πρώτο ηλεκτροοπτικό διαμορφωτή LTOI υψηλής ταχύτητας με εύρος ζώνης 3 dB στα 110 GHz. Σε πειράματα μετάδοσης IMDD άμεσης ανίχνευσης διαμόρφωσης έντασης, η συσκευή επιτυγχάνει ρυθμό μεταφοράς δεδομένων ενός μόνο φορέα 405 Gbit/s, ο οποίος είναι συγκρίσιμος με την καλύτερη απόδοση των υπαρχόντων ηλεκτροοπτικών πλατφορμών όπως οι διαμορφωτές LNOI και πλάσματος. Στο μέλλον, η χρήση πιο σύνθετων...Διαμορφωτής IQΜε σχέδια ή πιο προηγμένες τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων σήματος ή χρησιμοποιώντας υποστρώματα με χαμηλότερες απώλειες μικροκυμάτων, όπως υποστρώματα χαλαζία, οι συσκευές τανταλικού λιθίου αναμένεται να επιτύχουν ρυθμούς επικοινωνίας 2 Tbit/s ή υψηλότερους. Σε συνδυασμό με τα συγκεκριμένα πλεονεκτήματα του LTOI, όπως η χαμηλότερη διπλή διάθλαση και το φαινόμενο κλίμακας λόγω της ευρείας εφαρμογής του σε άλλες αγορές φίλτρων RF, η τεχνολογία φωτονικής τανταλικού λιθίου θα παρέχει λύσεις χαμηλού κόστους, χαμηλής ισχύος και εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας για δίκτυα οπτικών επικοινωνιών υψηλής ταχύτητας επόμενης γενιάς και συστήματα φωτονικής μικροκυμάτων.