Bộ điều biến điện quang tốc độ cao lithium tantalate (LTOI)

Lithium tantalate (LTOI) tốc độ caobộ điều biến điện quang

Lưu lượng dữ liệu toàn cầu tiếp tục tăng trưởng, được thúc đẩy bởi sự phổ biến rộng rãi của các công nghệ mới như 5G và trí tuệ nhân tạo (AI), điều này đặt ra những thách thức đáng kể cho các bộ thu phát ở tất cả các cấp độ của mạng quang. Cụ thể, công nghệ bộ điều biến điện quang thế hệ tiếp theo đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu phải tăng đáng kể lên 200 Gbps trên một kênh đơn trong khi vẫn giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí. Trong vài năm qua, công nghệ quang tử silicon đã được sử dụng rộng rãi trong thị trường bộ thu phát quang, chủ yếu là do quang tử silicon có thể được sản xuất hàng loạt bằng quy trình CMOS đã hoàn thiện. Tuy nhiên, các bộ điều biến điện quang SOI dựa trên sự tán xạ sóng mang phải đối mặt với những thách thức lớn về băng thông, mức tiêu thụ điện năng, sự hấp thụ sóng mang tự do và tính phi tuyến tính của điều chế. Các hướng công nghệ khác trong ngành bao gồm InP, màng mỏng lithium niobate LNOI, polyme điện quang và các giải pháp tích hợp đa nền tảng không đồng nhất khác. LNOI được coi là giải pháp có thể đạt được hiệu suất tốt nhất trong điều chế tốc độ cực cao và công suất thấp, tuy nhiên, hiện tại nó vẫn còn một số thách thức về quy trình sản xuất hàng loạt và chi phí. Gần đây, nhóm nghiên cứu đã cho ra mắt nền tảng quang tử tích hợp màng mỏng lithium tantalate (LTOI) với các đặc tính quang điện tuyệt vời và khả năng sản xuất quy mô lớn, được kỳ vọng sẽ sánh ngang hoặc thậm chí vượt trội hơn hiệu năng của nền tảng quang học lithium niobate và silicon trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, cho đến nay, thiết bị cốt lõi củatruyền thông quang họcBộ điều biến điện quang tốc độ cực cao này chưa được kiểm chứng tại LTOI.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu trước tiên đã thiết kế bộ điều biến điện quang LTOI, cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 1. Thông qua thiết kế cấu trúc của từng lớp lithium tantalate trên chất cách điện và các thông số của điện cực vi sóng, tốc độ truyền sóng vi sóng và sóng ánh sáng được điều chỉnh phù hợp trong...bộ điều biến điện quangĐiều này đã được hiện thực hóa. Về mặt giảm tổn thất của điện cực vi sóng, các nhà nghiên cứu trong công trình này lần đầu tiên đề xuất sử dụng bạc làm vật liệu điện cực với độ dẫn điện tốt hơn, và điện cực bạc đã được chứng minh là giảm tổn thất vi sóng tới 82% so với điện cực vàng được sử dụng rộng rãi.

Hình 1. Cấu trúc bộ điều biến điện quang LTOI, thiết kế khớp pha, thử nghiệm tổn hao điện cực vi sóng.

Hình 2 trình bày thiết bị thí nghiệm và kết quả của bộ điều biến điện quang LTOI.cường độ điều biếnphát hiện trực tiếp (IMDD) trong các hệ thống truyền thông quang học. Các thí nghiệm cho thấy bộ điều biến điện quang LTOI có thể truyền tín hiệu PAM8 ở tốc độ dấu 176 GBd với BER đo được là 3,8×10⁻² dưới ngưỡng SD-FEC 25%. Đối với cả PAM4 200 GBd và PAM2 208 GBd, BER thấp hơn đáng kể so với ngưỡng SD-FEC 15% và HD-FEC 7%. Kết quả kiểm tra biểu đồ mắt và biểu đồ tần suất trong Hình 3 cho thấy rõ ràng rằng bộ điều biến điện quang LTOI có thể được sử dụng trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao với độ tuyến tính cao và tỷ lệ lỗi bit thấp.

Hình 2. Thí nghiệm sử dụng bộ điều biến điện quang LTOI choĐiều biến cường độPhát hiện trực tiếp (IMDD) trong hệ thống truyền thông quang học (a) thiết bị thử nghiệm; (b) Tỷ lệ lỗi bit (BER) đo được của tín hiệu PAM8 (màu đỏ), PAM4 (màu xanh lá cây) và PAM2 (màu xanh lam) theo hàm của tốc độ dấu; (c) Tốc độ thông tin hữu ích được trích xuất (AIR, đường nét đứt) và tốc độ dữ liệu thực (NDR, đường nét liền) tương ứng cho các phép đo với giá trị tỷ lệ lỗi bit dưới giới hạn SD-FEC 25%; (d) Bản đồ mắt và biểu đồ thống kê dưới điều chế PAM2, PAM4, PAM8.

Công trình này trình bày bộ điều biến điện quang LTOI tốc độ cao đầu tiên với băng thông 3 dB là 110 GHz. Trong các thí nghiệm truyền dẫn IMDD phát hiện trực tiếp điều biến cường độ, thiết bị đạt được tốc độ dữ liệu thực đơn sóng mang là 405 Gbit/s, tương đương với hiệu suất tốt nhất của các nền tảng điện quang hiện có như LNOI và bộ điều biến plasma. Trong tương lai, việc sử dụng các cấu trúc phức tạp hơn sẽ được nghiên cứu.Bộ điều chỉnh IQVới các thiết kế tiên tiến hơn, hoặc các kỹ thuật sửa lỗi tín hiệu hiệu quả hơn, hoặc sử dụng các chất nền có tổn hao vi sóng thấp hơn như chất nền thạch anh, các thiết bị lithium tantalate dự kiến ​​sẽ đạt được tốc độ truyền thông 2 Tbit/s hoặc cao hơn. Kết hợp với những ưu điểm đặc thù của LTOI, chẳng hạn như độ lưỡng chiết thấp hơn và hiệu ứng tỷ lệ do ứng dụng rộng rãi của nó trong các thị trường bộ lọc RF khác, công nghệ quang tử lithium tantalate sẽ cung cấp các giải pháp chi phí thấp, công suất thấp và tốc độ cực cao cho các mạng truyền thông quang tốc độ cao thế hệ tiếp theo và các hệ thống quang tử vi sóng.