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伴い、世界のデータトラフィックは増加の一途をたどっており、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、次世代の電気光学変調器技術では、単一チャネルで200Gbpsへのデータ転送速度の大幅な向上と、エネルギー消費量およびコストの削減が求められています。近年、シリコンフォトニクス技術は、成熟したCMOSプロセスを用いて大量生産できることから、光トランシーバー市場で広く利用されています。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、変調非線形性において大きな課題を抱えています。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統合ソリューションといった技術も検討されています。LNOIは、超高速かつ低消費電力の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やコスト面で課題を抱えています。最近、チームは優れた光電特性と大規模製造が可能な薄膜タンタル酸リチウム（LTOI）集積フォトニックプラットフォームを発表しました。これは多くの用途においてニオブ酸リチウムやシリコン光プラットフォームの性能に匹敵するか、あるいはそれを上回ることが期待されています。しかし、これまで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に示す構造の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を設計することにより、マイクロ波と光波の伝搬速度のマッチングが実現され、電気光学変調器マイクロ波電極の損失を低減するという点において、本研究の研究者らは、より導電性の高い電極材料として銀の使用を初めて提案し、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%低減できることを示した。

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試験。

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 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 と 7% HD-FEC のしきい値よりも大幅に低くなっています。図 3 のアイパターン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で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）、PAM2（青）信号の測定されたビット誤り率（BER）；（c）25% SD-FEC制限値以下のビット誤り率の測定値から抽出された使用可能な情報レート（AIR、破線）と関連する正味データレート（NDR、実線）；（d）PAM2、PAM4、PAM8変調下でのアイマップと統計ヒストグラム。

本研究では、3 dB帯域幅110 GHzの高速LTOI電気光学変調器を初めて実証しました。強度変調直接検出（IMDD）伝送実験において、このデバイスは単一キャリアで405 Gbit/sのネットデータレートを達成し、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性能に匹敵します。将来的には、より複雑な技術を用いて、IQモジュレーター設計の改良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低マイクロ波損失基板の使用により、タンタル酸リチウムデバイスは2 Tbit/s以上の通信速度を実現することが期待されています。低複屈折性や、他のRFフィルタ市場での幅広い応用によるスケール効果といったLTOI特有の利点と相まって、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および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。