Tantalate de lithium (LTOI) haute vitessemodulateur électro-optique
Le trafic mondial de données continue de croître, porté par l'adoption généralisée de nouvelles technologies telles que la 5G et l'intelligence artificielle (IA), ce qui pose des défis majeurs aux émetteurs-récepteurs à tous les niveaux des réseaux optiques. Plus précisément, la technologie des modulateurs électro-optiques de nouvelle génération nécessite 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 photonique sur silicium a été largement utilisée sur le marché des émetteurs-récepteurs optiques, principalement grâce à la possibilité de produire en masse des photoniques sur silicium grâce au procédé CMOS éprouvé. Cependant, les modulateurs électro-optiques SOI, qui reposent sur la dispersion des porteuses, sont confrontés à d'importants défis en termes de bande passante, de consommation d'énergie, d'absorption des porteuses libres et de non-linéarité de modulation. Parmi les autres technologies du secteur figurent l'InP, les LNOI en couches minces de niobate de lithium, les polymères électro-optiques et d'autres solutions d'intégration hétérogène multiplateformes. Le LNOI est considéré comme la solution offrant les meilleures performances en modulation ultra-rapide et basse consommation. Cependant, il présente actuellement des difficultés en termes de processus de production de masse et de coût. L'équipe a récemment lancé une plateforme photonique intégrée au tantalate de lithium en couches minces (LTOI), dotée d'excellentes propriétés photoélectriques et pouvant être fabriquée à grande échelle. Cette plateforme devrait égaler, voire dépasser, les performances des plateformes optiques au niobate de lithium et au silicium dans de nombreuses applications. Cependant, jusqu'à présent, le composant principal decommunication optique, le modulateur électro-optique à très grande vitesse, 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 micro-ondes et des ondes lumineuses dans lemodulateur électro-optiqueest réalisé. En termes de réduction de la perte de l'électrode à micro-ondes, les chercheurs de ce travail ont pour la première fois proposé l'utilisation de l'argent comme matériau d'électrode avec une meilleure conductivité, et l'électrode en argent s'est avérée réduire la perte de micro-ondes à 82 % par rapport à l'électrode en or largement utilisée.
FIG. 1 Structure de modulateur électro-optique LTOI, conception d'adaptation de phase, test de perte d'électrode micro-ondes.
La FIG. 2 montre l'appareil expérimental et les résultats du modulateur électro-optique LTOI pourintensité moduléeDétection 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 TEB mesuré de 3,8 × 10⁻², inférieur au seuil de 25 % SD-FEC. Pour les PAM4 de 200 GBd et PAM2 de 208 GBd, le TEB était significativement inférieur aux seuils de 15 % SD-FEC et de 7 % HD-FEC. Les résultats des tests de l'œil et de l'histogramme de la figure 3 démontrent visuellement que le modulateur électro-optique LTOI peut être utilisé dans les 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 mesuré (BER) des signaux PAM8 (rouge), PAM4 (vert) et PAM2 (bleu) en fonction du taux de signe ; (c) Débit d'informations utilisables extraites (AIR, ligne pointillée) et débit de données net associé (NDR, ligne continue) pour les mesures avec des valeurs de taux d'erreur binaire inférieures à la limite SD-FEC de 25 % ; (d) Cartes oculaires et histogrammes statistiques sous modulation PAM2, PAM4, PAM8.
Ce travail démontre le premier modulateur électro-optique LTOI haut débit, doté d'une bande passante de 3 dB à 110 GHz. Lors d'expériences de transmission IMDD à détection directe par modulation d'intensité, le dispositif atteint un débit net de données à porteuse unique de 405 Gbit/s, comparable aux meilleures performances des plateformes électro-optiques existantes telles que les modulateurs LNOI et plasma. À l'avenir, l'utilisation de modulateurs plus complexesmodulateur de QIGrâce à des conceptions innovantes ou à des techniques de correction d'erreur de signal plus avancées, ou encore à l'utilisation de substrats à faibles pertes micro-ondes tels que les substrats en quartz, les dispositifs au tantalate de lithium devraient atteindre des débits de communication de 2 Tbit/s ou plus. Combinée aux avantages spécifiques du LTOI, tels qu'une biréfringence plus faible et l'effet d'échelle dû à sa large application sur d'autres marchés de filtres RF, la technologie photonique au tantalate de lithium fournira des solutions économiques, à faible consommation et à très haut débit pour les réseaux de communication optique haut débit et les systèmes photoniques micro-ondes de nouvelle génération.
Date de publication : 11 décembre 2024