مدولاتور الکترواپتیک با سرعت بالا لیتیوم تانتالات (LTOI).

لیتیوم تانتالات (LTOI) با سرعت بالامدولاتور الکترواپتیک

ترافیک جهانی داده به دلیل پذیرش گسترده فناوری‌های جدید مانند 5G و هوش مصنوعی (AI) که چالش‌های مهمی برای فرستنده‌های گیرنده در تمام سطوح شبکه‌های نوری ایجاد می‌کند، به رشد خود ادامه می‌دهد. به طور خاص، فناوری مدولاتور الکترواپتیک نسل بعدی به افزایش قابل توجهی در نرخ انتقال داده تا 200 گیگابیت بر ثانیه در یک کانال واحد نیاز دارد و در عین حال مصرف انرژی و هزینه ها را کاهش می دهد. در چند سال گذشته، فناوری فوتونیک سیلیکون به طور گسترده ای در بازار فرستنده گیرنده نوری استفاده شده است، عمدتاً به این دلیل که فوتونیک سیلیکونی را می توان با استفاده از فرآیند بالغ CMOS به تولید انبوه رساند. با این حال، مدولاتورهای الکترواپتیک SOI که بر پراکندگی حامل متکی هستند با چالش‌های بزرگی در پهنای باند، مصرف برق، جذب حامل آزاد و غیرخطی بودن مدولاسیون روبرو هستند. سایر مسیرهای فناوری در صنعت شامل InP، لایه نازک لیتیوم نیوبات LNOI، پلیمرهای الکترواپتیکال و دیگر راه حل های ادغام ناهمگن چند پلت فرمی است. LNOI به عنوان راه حلی در نظر گرفته می شود که می تواند بهترین عملکرد را در مدولاسیون با سرعت فوق العاده بالا و توان کم به دست آورد، اما در حال حاضر از نظر فرآیند تولید انبوه و هزینه با چالش هایی روبرو است. اخیرا، این تیم یک پلت فرم فوتونیک یکپارچه لیتیوم تانتالات لایه نازک (LTOI) را با خواص فوتوالکتریک عالی و تولید در مقیاس بزرگ راه اندازی کرده است که انتظار می رود در بسیاری از کاربردها با عملکرد لیتیوم نیوبات و پلت فرم های نوری سیلیکون مطابقت داشته باشد یا حتی از آن فراتر رود. با این حال، تا کنون، دستگاه اصلی ازارتباط نوری، مدولاتور الکترواپتیک با سرعت فوق العاده بالا، در LTOI تأیید نشده است.

در این مطالعه، محققان ابتدا مدولاتور الکترواپتیک LTOI را طراحی کردند که ساختار آن در شکل 1 نشان داده شده است. از طریق طراحی ساختار هر لایه لیتیوم تانتالات بر روی عایق و پارامترهای الکترود مایکروویو، انتشار تطبیق سرعت امواج مایکروویو و نور درمدولاتور الکترواپتیکالمحقق می شود. از نظر کاهش اتلاف الکترود مایکروویو، محققان در این کار برای اولین بار استفاده از نقره را به عنوان ماده الکترود با رسانایی بهتر پیشنهاد کردند و نشان داده شد که الکترود نقره اتلاف مایکروویو را تا 82 درصد در مقایسه با الکترود طلای پرکاربرد

شکل 1 ساختار مدولاتور الکترواپتیک LTOI، طراحی تطبیق فاز، آزمایش از دست دادن الکترود مایکروویو.

شکل 2 دستگاه آزمایشی و نتایج مدولاتور الکترواپتیک LTOI را نشان می دهدشدت تعدیل شدهتشخیص مستقیم (IMDD) در سیستم های ارتباطی نوری آزمایش‌ها نشان می‌دهند که مدولاتور الکترواپتیک LTOI می‌تواند سیگنال‌های PAM8 را با نرخ علامت 176 گیگابایت در روز با BER اندازه‌گیری شده 3.8×10-2 زیر آستانه 25٪ SD-FEC ارسال کند. برای هر دو 200 گیگابایت PAM4 و 208 گیگابایت PAM2، BER به طور قابل توجهی کمتر از آستانه 15٪ SD-FEC و 7٪ HD-FEC بود. نتایج آزمایش چشم و هیستوگرام در شکل 3 به صورت بصری نشان می دهد که مدولاتور الکترواپتیک LTOI را می توان در سیستم های ارتباطی پرسرعت با خطی بودن بالا و نرخ خطای بیت کم استفاده کرد.

شکل 2 با استفاده از مدولاتور الکترواپتیک LTOI برایشدت تعدیل شده استتشخیص مستقیم (IMDD) در سیستم ارتباط نوری (الف) دستگاه آزمایشی. (ب) نرخ خطای بیت اندازه گیری شده (BER) سیگنال های PAM8 (قرمز)، PAM4 (سبز) و PAM2 (آبی) به عنوان تابعی از نرخ علامت. (ج) نرخ اطلاعات قابل استفاده استخراج شده (AIR، خط چین) و نرخ خالص داده مرتبط (NDR، خط ثابت) برای اندازه‌گیری‌هایی با مقادیر نرخ خطای بیت کمتر از حد SD-FEC 25٪؛ (د) نقشه های چشمی و هیستوگرام های آماری تحت مدولاسیون PAM2، PAM4، PAM8.

این کار اولین مدولاتور الکترواپتیک LTOI با سرعت بالا با پهنای باند 3 دسی بل 110 گیگاهرتز را نشان می دهد. در آزمایش‌های انتقال IMDD با تشخیص مستقیم مدولاسیون شدت، دستگاه به سرعت خالص داده‌ای 405 گیگابیت بر ثانیه دست می‌یابد که با بهترین عملکرد پلت‌فرم‌های الکترواپتیکی موجود مانند LNOI و مدولاتورهای پلاسما قابل مقایسه است. در آینده، با استفاده از پیچیده ترتعدیل کننده IQطراحی‌ها یا تکنیک‌های پیشرفته‌تر تصحیح خطای سیگنال، یا استفاده از بسترهای کم‌تر از دست دادن مایکروویو مانند بسترهای کوارتز، دستگاه‌های لیتیوم تانتالات انتظار می‌رود به نرخ‌های ارتباطی ۲ ترابیت بر ثانیه یا بالاتر دست یابند. همراه با مزایای خاص LTOI، مانند انکسار مضاعف کمتر و اثر مقیاس به دلیل کاربرد گسترده آن در سایر بازارهای فیلتر RF، فناوری فوتونیک لیتیوم تانتالات راه حل های کم هزینه، کم مصرف و فوق العاده سریع را برای نسل بعدی بالا ارائه می کند. -شبکه های ارتباطی نوری با سرعت و سیستم های فوتونیک مایکروویو.