مدولاتور الکترواپتیکی پرسرعت لیتیوم تانتالات (LTOI)

لیتیوم تانتالات (LTOI) با سرعت بالامدولاتور الکترواپتیکی

ترافیک جهانی داده‌ها همچنان در حال رشد است که ناشی از پذیرش گسترده فناوری‌های جدید مانند 5G و هوش مصنوعی (AI) است که چالش‌های قابل توجهی را برای فرستنده-گیرنده‌ها در تمام سطوح شبکه‌های نوری ایجاد می‌کند. به طور خاص، فناوری مدولاتور الکترواپتیکی نسل بعدی نیاز به افزایش قابل توجه نرخ انتقال داده تا 200 گیگابیت بر ثانیه در یک کانال واحد و در عین حال کاهش مصرف انرژی و هزینه‌ها دارد. در چند سال گذشته، فناوری فوتونیک سیلیکونی به طور گسترده در بازار فرستنده-گیرنده‌های نوری مورد استفاده قرار گرفته است، عمدتاً به این دلیل که فوتونیک‌های سیلیکونی را می‌توان با استفاده از فرآیند CMOS بالغ به صورت انبوه تولید کرد. با این حال، مدولاتورهای الکترواپتیکی SOI که به پراکندگی حامل متکی هستند، با چالش‌های بزرگی در پهنای باند، مصرف برق، جذب حامل آزاد و غیرخطی بودن مدولاسیون مواجه هستند. سایر مسیرهای فناوری در صنعت شامل InP، LNOI لیتیوم نیوبات لایه نازک، پلیمرهای الکترواپتیکی و سایر راه‌حل‌های ادغام ناهمگن چند پلتفرمی است. LNOI به عنوان راه‌حلی در نظر گرفته می‌شود که می‌تواند بهترین عملکرد را در مدولاسیون با سرعت بسیار بالا و توان کم به دست آورد، با این حال، در حال حاضر از نظر فرآیند تولید انبوه و هزینه با چالش‌هایی روبرو است. اخیراً، این تیم یک پلتفرم فوتونیک یکپارچه با لایه نازک لیتیوم تانتالات (LTOI) با خواص فوتوالکتریک عالی و قابلیت تولید در مقیاس بزرگ راه‌اندازی کرده است که انتظار می‌رود در بسیاری از کاربردها، عملکرد آن با عملکرد پلتفرم‌های نوری لیتیوم نیوبات و سیلیکون برابری کند یا حتی از آنها پیشی بگیرد. با این حال، تاکنون، دستگاه اصلیارتباط نوری، مدولاتور الکترواپتیکی با سرعت فوق‌العاده بالا، در LTOI تأیید نشده است.

در این مطالعه، محققان ابتدا مدولاتور الکترواپتیکی LTOI را طراحی کردند که ساختار آن در شکل 1 نشان داده شده است. از طریق طراحی ساختار هر لایه از لیتیوم تانتالات روی عایق و پارامترهای الکترود مایکروویو، تطبیق سرعت انتشار مایکروویو و موج نور درمدولاتور الکترواپتیکیمحقق می‌شود. از نظر کاهش تلفات الکترود مایکروویو، محققان در این کار برای اولین بار استفاده از نقره را به عنوان ماده الکترود با رسانایی بهتر پیشنهاد دادند و نشان داده شد که الکترود نقره در مقایسه با الکترود طلا که به طور گسترده استفاده می‌شود، تلفات مایکروویو را تا 82 درصد کاهش می‌دهد.

شکل 1. ساختار مدولاتور الکترواپتیکی LTOI، طراحی تطبیق فاز، آزمایش اتلاف الکترود مایکروویو.

شکل 2 دستگاه آزمایشی و نتایج مدولاتور الکترواپتیکی LTOI را برایشدت تعدیل‌شدهتشخیص مستقیم (IMDD) در سیستم‌های ارتباطی نوری. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که مدولاتور الکترواپتیکی LTOI می‌تواند سیگنال‌های PAM8 را با نرخ علامت 176 GBd با BER اندازه‌گیری شده 3.8×10⁻² زیر آستانه 25% SD-FEC ارسال کند. برای هر دو PAM4 با 200 GBd و PAM2 با 208 GBd، 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 می‌دهد که مدولاتور الکترواپتیکی LTOI می‌تواند در سیستم‌های ارتباطی پرسرعت با خطی بودن بالا و نرخ خطای بیت پایین استفاده شود.

شکل 2. آزمایش با استفاده از مدولاتور الکترواپتیکی LTOI برایشدت تعدیل‌شدهتشخیص مستقیم (IMDD) در سیستم ارتباط نوری (الف) دستگاه آزمایشی؛ (ب) نرخ خطای بیت اندازه‌گیری شده (BER) سیگنال‌های 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 داده خالص مرتبط (NDR، خط ممتد) برای اندازه‌گیری‌هایی با مقادیر نرخ خطای بیت کمتر از حد 25% SD-FEC؛ (د) نقشه‌های چشمی و هیستوگرام‌های آماری تحت مدولاسیون PAM2، PAM4، PAM8.

این کار اولین مدولاتور الکترواپتیکی LTOI پرسرعت با پهنای باند ۳ دسی‌بل و فرکانس ۱۱۰ گیگاهرتز را نشان می‌دهد. در آزمایش‌های انتقال IMDD با تشخیص مستقیم مدولاسیون شدت، این دستگاه به نرخ داده خالص تک حامل ۴۰۵ 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 مدولاتورهای پیچیده‌ترتعدیل‌کننده ضریب هوشیبا طراحی‌ها یا تکنیک‌های پیشرفته‌تر تصحیح خطای سیگنال، یا با استفاده از زیرلایه‌های با تلفات مایکروویو کمتر مانند زیرلایه‌های کوارتز، انتظار می‌رود دستگاه‌های لیتیوم تانتالات به نرخ‌های ارتباطی 2 ترابیت بر ثانیه یا بالاتر دست یابند. فناوری فوتونیک لیتیوم تانتالات، همراه با مزایای خاص LTOI، مانند دوشکستی کمتر و اثر مقیاس به دلیل کاربرد گسترده آن در سایر بازارهای فیلترهای RF، راه‌حل‌های کم‌هزینه، کم‌مصرف و فوق‌العاده پرسرعتی را برای شبکه‌های ارتباطی نوری پرسرعت نسل بعدی و سیستم‌های فوتونیک مایکروویو ارائه خواهد داد.