タンタル酸リチウム (LTOI) 高速電気光学変調器

タンタル酸リチウム (LTOI) 高速電気光学変調器

5G や人工知能 (AI) などの新技術の普及により、世界のデータ トラフィックは増加し続けており、光ネットワークのあらゆるレベルのトランシーバーにとって重大な課題となっています。具体的には、次世代の電気光学変調器テクノロジーでは、エネルギー消費とコストを削減しながら、データ転送速度を単一チャネルで 200 Gbps まで大幅に向上させる必要があります。過去数年間、シリコン フォトニクス技術は、主に成熟した CMOS プロセスを使用して量産できるため、光トランシーバ市場で広く使用されてきました。しかし、キャリア分散に依存する SOI 電気光学変調器は、帯域幅、消費電力、自由キャリア吸収、変調非線形性において大きな課題に直面しています。業界の他の技術ルートには、InP、薄膜ニオブ酸リチウム LNOI、電気光学ポリマー、およびその他のマルチプラットフォームの異種統合ソリューションが含まれます。 LNOIは超高速・低電力変調において最高の性能を実現できるソリューションと考えられていますが、量産プロセスやコストの点で課題がいくつかあるのが現状です。最近、チームは、優れた光電特性と大規模製造を備えた薄膜タンタル酸リチウム（LTOI）統合フォトニックプラットフォームを発表しました。これは、多くのアプリケーションでニオブ酸リチウムやシリコン光学プラットフォームの性能に匹敵するか、それを超えることが期待されています。ただし、これまでのコアデバイスは、光通信、超高速電気光学変調器は、LTOI では検証されていません。

この研究では、研究者らはまず、図1にその構造を示すLTOI電気光学変調器を設計した。絶縁体上のタンタル酸リチウムの各層の構造とマイクロ波電極のパラメータの設計を通じて、伝播マイクロ波と光波の速度マッチング電気光学変調器実現される。マイクロ波電極の損失を減らすという点で、研究者らはこの研究で初めて、より導電性の高い電極材料として銀を使用することを提案し、銀電極はマイクロ波損失を従来の電極に比べて82%まで削減できることが示されました。広く使用されている金電極。

イチジク。 1 LTOI 電気光学変調器構造、位相整合設計、マイクロ波電極損失テスト。

イチジク。図2は、LTOI電気光学変調器の実験装置と結果を示しています。強度変調された光通信システムにおける直接検出 (IMDD)。実験では、LTOI 電気光学変調器が、25% SD-FEC しきい値を下回る 3.8×10-2 の測定 BER で 176 GBd の符号レートで PAM8 信号を送信できることが示されています。 200 GBd PAM4 と 208 GBd PAM2 の両方で、BER は 15% SD-FEC および 7% HD-FEC のしきい値よりも大幅に低かった。図 3 の目とヒストグラムのテスト結果は、LTOI 電気光学変調器が高い線形性と低いビット誤り率を備えた高速通信システムで使用できることを視覚的に示しています。

イチジク。 2 LTOI電気光学変調器を用いた実験強度変調光通信システムにおける直接検出 (IMDD) (a) 実験装置。 (b) 符号率の関数として表した PAM8 (赤)、PAM4 (緑)、および PAM2 (青) 信号の測定されたビット誤り率 (BER)。 (c) ビット誤り率値が 25% SD-FEC 制限を下回る測定で抽出された使用可能な情報レート (AIR、破線) および関連するネット データ レート (NDR、実線)。 (d) PAM2、PAM4、PAM8 変調下のアイマップと統計ヒストグラム。

この研究では、110 GHz の 3 dB 帯域幅を備えた最初の高速 LTOI 電気光学変調器を実証します。強度変調直接検出 IMDD 伝送実験では、このデバイスは 405 Gbit/s のシングルキャリア正味データレートを達成しました。これは、LNOI やプラズマ変調器などの既存の電気光学プラットフォームの最高のパフォーマンスに匹敵します。将来的には、より複雑なIQモジュレータータンタル酸リチウムデバイスは、設計やより高度な信号誤り訂正技術、または石英基板などの低マイクロ波損失基板を使用することで、2 Tbit/s 以上の通信速度を達成すると期待されています。タンタル酸リチウムのフォトニクス技術は、複屈折の低下や、他の RF フィルタ市場での広範な応用によるスケール効果などの LTOI 特有の利点と組み合わせることで、次世代高機能アプリケーション向けに低コスト、低電力、超高速のソリューションを提供します。 -高速光通信ネットワークとマイクロ波フォトニクス システム。