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）といった新技術の普及に伴い、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大きな課題となっています。特に、次世代電気光学変調器技術は、単一チャネルで200Gbpsというデータ転送速度の大幅な向上と、消費電力とコストの削減を必要としています。ここ数年、シリコンフォトニクス技術は、成熟したCMOSプロセスを用いて量産可能であるという点を主な理由として、光トランシーバー市場で広く利用されてきました。しかし、キャリア分散を利用するSOI電気光学変調器は、帯域幅、消費電力、自由キャリア吸収、変調非線形性といった大きな課題に直面しています。業界では、InP、薄膜ニオブ酸リチウムLNOI、電気光学ポリマー、その他のマルチプラットフォーム異種集積ソリューションといった技術が検討されています。LNOIは、超高速・低消費電力変調において最高の性能を発揮できるソリューションと考えられていますが、現状では量産プロセスとコストの面で課題を抱えています。最近、研究チームは優れた光電特性と大規模生産能力を備えた薄膜タンタル酸リチウム（LTOI）集積光子プラットフォームを発表しました。このプラットフォームは、多くの用途においてニオブ酸リチウムやシリコン光子プラットフォームと同等、あるいはそれ以上の性能を発揮すると期待されています。しかしながら、これまで、このプラットフォームの中核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LTOI電気光学変調器を設計した。その構造を図1に示す。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により、マイクロ波と光波の伝播速度の整合が図られた。電気光学変調器マイクロ波電極の損失低減の観点から、本研究の研究者らは初めて導電性に優れた電極材料として銀の使用を提案し、銀電極は広く使用されている金電極と比較してマイクロ波損失を82%まで低減できることが示されました。
図1 LTOI電気光学変調器の構造、位相整合設計、マイクロ波電極損失テスト。
図2は、LTOI電気光学変調器の実験装置と結果を示す。強度変調光通信システムにおける直接検出（IMDD）の実現可能性を実証しました。実験では、LTOI電気光学変調器が176GBdの符号速度でPAM8信号を送信し、測定されたBERは25% SD-FECしきい値を下回る3.8×10⁻²であることが示されました。200GBd PAM4と208GBd PAM2の両方において、BERは15% SD-FECおよび7% HD-FECのしきい値を大幅に下回りました。図3のアイテストとヒストグラムテストの結果は、LTOI電気光学変調器が高直線性と低ビットエラー率を備えた高速通信システムに使用できることを視覚的に示しています。
図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）符号レートの関数としてのPAM8（赤）、PAM4（緑）、およびPAM2（青）信号の測定ビットエラー率（BER）、（c）25％SD-FEC制限未満のビットエラー率値での測定に対する抽出された使用可能情報レート（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変調でのアイマップと統計ヒストグラム。
本研究では、3dB帯域幅110GHzの高速LTOI電気光学変調器を初めて実証しました。強度変調直接検波IMDD伝送実験において、このデバイスは単一キャリアネットデータレート405Gbit/sを達成しました。これは、LNOIやプラズマ変調器といった既存の電気光学プラットフォームの最高性能に匹敵します。将来的には、より複雑なLTOI電気光学変調器を用いることで、IQモジュレーター設計やより高度な信号誤り訂正技術、あるいは石英基板などのマイクロ波損失の低い基板を用いることで、タンタル酸リチウムデバイスは2Tbit/s以上の通信速度を実現することが期待されています。LTOI特有の利点、例えば他のRFフィルタ市場で広く採用されていることによる低複屈折性やスケール効果といった利点と相まって、タンタル酸リチウムフォトニクス技術は、次世代高速光通信ネットワークやマイクロ波フォトニクスシステム向けに、低コスト、低消費電力、超高速ソリューションを提供します。
投稿日時: 2024年12月11日