tantalate de lithium (LTOI) haute vitessemodulateur électro-optique
Le trafic de données mondial continue de croître, porté par l'adoption généralisée de nouvelles technologies telles que la 5G et l'intelligence artificielle (IA), ce qui représente un défi majeur pour les émetteurs-récepteurs à tous les niveaux des réseaux optiques. Plus précisément, la technologie des modulateurs électro-optiques de nouvelle génération exige une augmentation significative des débits de transfert de données, jusqu'à 200 Gbit/s sur un seul canal, tout en réduisant la consommation d'énergie et les coûts. Ces dernières années, la technologie photonique sur silicium s'est largement imposée sur le marché des émetteurs-récepteurs optiques, principalement grâce à sa production en masse possible via le procédé CMOS éprouvé. Cependant, les modulateurs électro-optiques SOI, qui reposent sur la dispersion des porteurs, rencontrent d'importantes difficultés en termes de bande passante, de consommation d'énergie, d'absorption des porteurs libres et de non-linéarité de modulation. Parmi les autres technologies explorées, on peut citer l'InP, le niobate de lithium en couches minces (LNOI), les polymères électro-optiques et d'autres solutions d'intégration hétérogènes multiplateformes. Le LNOI est considéré comme la solution offrant les meilleures performances en modulation ultra-rapide et basse consommation ; toutefois, sa production en masse et son coût restent des défis à relever. Récemment, l'équipe a lancé une plateforme photonique intégrée en tantalate de lithium en couche mince (LTOI) présentant d'excellentes propriétés photoélectriques et une fabrication à grande échelle. Cette plateforme devrait égaler, voire surpasser, les performances des plateformes optiques en niobate de lithium et en silicium dans de nombreuses applications. Cependant, jusqu'à présent, le dispositif principal decommunication optique, le modulateur électro-optique ultra-rapide, n'a pas été vérifié dans LTOI.
Dans cette étude, les chercheurs ont d'abord conçu le modulateur électro-optique LTOI, dont la structure est illustrée à la figure 1. Grâce à la conception de la structure de chaque couche de tantalate de lithium sur l'isolant et aux paramètres de l'électrode micro-ondes, la vitesse de propagation des ondes micro-ondes et lumineuses a été adaptée.modulateur électro-optiqueCette solution a été mise en œuvre. Afin de réduire les pertes de l'électrode micro-ondes, les chercheurs ont proposé pour la première fois l'utilisation de l'argent comme matériau d'électrode, grâce à sa meilleure conductivité. L'électrode en argent a permis de réduire les pertes micro-ondes de 82 % par rapport à l'électrode en or, largement utilisée.
FIG. 1 Structure du modulateur électro-optique LTOI, conception de l'accord de phase, test de perte d'électrode micro-ondes.
La figure 2 présente le dispositif expérimental et les résultats du modulateur électro-optique LTOI pourmodulation d'intensitéDétection directe (IMDD) dans les systèmes de communication optique. Les expériences montrent que le modulateur électro-optique LTOI peut transmettre des signaux PAM8 à un débit de 176 GBd avec un taux d'erreur binaire (TEB) mesuré de 3,8 × 10⁻², inférieur au seuil de correction d'erreurs sans voie de détection (SD-FEC) de 25 %. Pour les signaux PAM4 à 200 GBd et PAM2 à 208 GBd, le TEB était significativement inférieur aux seuils de correction d'erreurs sans voie de détection (SD-FEC) de 15 % et de 7 % (HD-FEC). Les résultats des tests de diagramme de l'œil et d'histogramme (figure 3) démontrent visuellement que le modulateur électro-optique LTOI peut être utilisé dans des systèmes de communication à haut débit avec une linéarité élevée et un faible taux d'erreur binaire.
FIG. 2 Expérience utilisant un modulateur électro-optique LTOI pourIntensité moduléeDétection directe (IMDD) dans un système de communication optique : (a) dispositif expérimental ; (b) taux d’erreur binaire (TEB) mesuré des signaux PAM8 (rouge), PAM4 (vert) et PAM2 (bleu) en fonction du taux de variation ; (c) débit d’information utilisable extrait (AIR, ligne pointillée) et débit de données net associé (NDR, ligne continue) pour des mesures avec des valeurs de TEB inférieures à la limite de 25 % du SD-FEC ; (d) cartes de l’œil et histogrammes statistiques sous modulation PAM2, PAM4 et PAM8.
Ce travail présente le premier modulateur électro-optique LTOI haute vitesse avec une bande passante à 3 dB de 110 GHz. Lors d'expériences de transmission IMDD (détection directe par modulation d'intensité), le dispositif atteint un débit de données net mono-porteuse de 405 Gbit/s, comparable aux meilleures performances des plateformes électro-optiques existantes telles que les modulateurs LNOI et à plasma. À l'avenir, des dispositifs plus complexes seront utilisés.modulateur IQGrâce à des conceptions plus avancées, à des techniques de correction d'erreurs de signal plus performantes ou à l'utilisation de substrats à faibles pertes micro-ondes, tels que le quartz, les dispositifs au tantalate de lithium devraient atteindre des débits de communication de 2 Tbit/s, voire plus. Combinée aux avantages spécifiques du tantalate de lithium, comme sa faible biréfringence et l'effet d'échelle dû à son utilisation répandue dans d'autres marchés de filtres RF, la technologie photonique au tantalate de lithium offrira des solutions économiques, basse consommation et ultra-rapides pour les réseaux de communication optique à haut débit et les systèmes photoniques micro-ondes de nouvelle génération.
Date de publication : 11 décembre 2024