מאפנן אלקטרו-אופטי במהירות גבוהה של ליתיום טנטלאט (LTOI).

ליתיום טנטלאט (LTOI) במהירות גבוההאפנן אלקטרו-אופטי

תעבורת הנתונים העולמית ממשיכה לגדול, מונעת על ידי אימוץ נרחב של טכנולוגיות חדשות כמו 5G ובינה מלאכותית (AI), מה שמציב אתגרים משמעותיים עבור מקלטי משדר בכל רמות הרשתות האופטיות. באופן ספציפי, טכנולוגיית המאפנן האלקטרו-אופטי מהדור הבא דורשת עלייה משמעותית בקצבי העברת הנתונים ל-200 Gbps בערוץ בודד תוך הפחתת צריכת האנרגיה והעלויות. בשנים האחרונות, נעשה שימוש נרחב בטכנולוגיית סיליקון פוטוניקה בשוק המקלטים האופטיים, בעיקר בשל העובדה שניתן לייצר פוטוני סיליקון המוני באמצעות תהליך CMOS בוגר. עם זאת, מאפננים אלקטרו-אופטיים של SOI המסתמכים על פיזור נשא מתמודדים עם אתגרים גדולים ברוחב פס, צריכת חשמל, קליטת נשא חופשית ואי-לינאריות אפנון. מסלולי טכנולוגיה נוספים בתעשייה כוללים InP, ליתיום ניובאט LNOI סרט דק, פולימרים אלקטרו-אופטיים ופתרונות אינטגרציה הטרוגניים מרובי פלטפורמות אחרים. LNOI נחשב לפתרון שיכול להשיג את הביצועים הטובים ביותר במהירות גבוהה במיוחד ובאפנון הספק נמוך, עם זאת, יש לו כרגע כמה אתגרים במונחים של תהליך ייצור המוני ועלות. לאחרונה, הצוות השיק פלטפורמה פוטונית משולבת מסוג ליתיום טנטלאט (LTOI) עם תכונות פוטו-אלקטריות מעולות וייצור בקנה מידה גדול, שצפויה להתאים או אפילו לעלות על הביצועים של פלטפורמות אופטיות של ליתיום ניובאט וסיליקון ביישומים רבים. עם זאת, עד כה, מכשיר הליבה שלתקשורת אופטית, המאפנן האלקטרו-אופטי המהיר במיוחד, לא אומת ב-LTOI.

במחקר זה, תכננו החוקרים לראשונה את המאפנן האלקטרו-אופטי LTOI, שמבנהו מוצג באיור 1. באמצעות תכנון המבנה של כל שכבת ליתיום טנטלאט על המבודד והפרמטרים של אלקטרודת המיקרוגל, ההתפשטות התאמת מהירות של מיקרוגל וגל אור באפנן אלקטרו-אופטימתממש. במונחים של הפחתת אובדן אלקטרודת המיקרוגל, החוקרים בעבודה זו הציעו לראשונה להשתמש בכסף כחומר אלקטרודה עם מוליכות טובה יותר, ואלקטרודת הכסף הוכחה כמפחיתה את אובדן המיקרוגל ל-82% בהשוואה ל- אלקטרודת זהב בשימוש נרחב.

תְאֵנָה. 1 מבנה מאפנן אלקטרו-אופטי LTOI, עיצוב התאמת פאזה, בדיקת אובדן אלקטרודות במיקרוגל.

תְאֵנָה. 2 מציג את המנגנון הניסיוני והתוצאות של המאפנן האלקטרו-אופטי LTOI עבורמאופנן בעוצמהזיהוי ישיר (IMDD) במערכות תקשורת אופטיות. הניסויים מראים שהאפנן האלקטרו-אופטי LTOI יכול לשדר אותות PAM8 בקצב סימן של 176 GBd עם BER נמדד של 3.8×10⁻² מתחת לסף SD-FEC של 25%. גם עבור 200 GBd PAM4 וגם 208 GBd PAM2, BER היה נמוך משמעותית מהסף של 15% SD-FEC ו-7% HD-FEC. תוצאות בדיקת העין וההיסטוגרמה באיור 3 מדגימות ויזואלית שניתן להשתמש במאפנן האלקטרו-אופטי LTOI במערכות תקשורת מהירות עם ליניאריות גבוהה ושיעור שגיאות סיביות נמוך.

תְאֵנָה. 2 ניסוי באמצעות מאפנן אלקטרו-אופטי LTOI עבורעצימות מווסתתזיהוי ישיר (IMDD) במערכת תקשורת אופטית (א) מכשיר ניסיוני; (ב) שיעור שגיאות הסיביות הנמדד (BER) של אותות PAM8(אדום), PAM4(ירוק) ו-PAM2(כחול) כפונקציה של קצב הסימנים; (ג) קצב מידע שמיש שחולץ (AIR, קו מקווקו) וקצב נתונים נטו הקשור (NDR, קו מלא) עבור מדידות עם ערכי קצב שגיאות סיביות מתחת לגבול ה-SD-FEC של 25%; (ד) מפות עיניים והיסטוגרמות סטטיסטיות תחת אפנון PAM2, PAM4, PAM8.

עבודה זו מדגים את המאפנן האלקטרו-אופטי המהיר LTOI הראשון עם רוחב פס של 3 dB של 110 גיגה-הרץ. בניסויי שידור ישיר של אפנון אינטנסיביות של IMDD, המכשיר משיג קצב נתונים נטו של ספק אחד של 405 Gbit/s, אשר ניתן להשוואה לביצועים הטובים ביותר של פלטפורמות אלקטרו-אופטיות קיימות כגון LNOI ומאפני פלזמה. בעתיד, שימוש מורכב יותראפנן IQעיצובים או טכניקות מתקדמות יותר לתיקון שגיאות אותות, או שימוש במצעים עם אובדן מיקרוגל נמוך יותר כגון מצעי קוורץ, התקני ליתיום טנטלאט צפויים להשיג קצבי תקשורת של 2 Tbit/s ומעלה. בשילוב עם היתרונות הספציפיים של LTOI, כגון שבירה דו-פעמית נמוכה יותר ואפקט קנה המידה בשל היישום הנרחב שלו בשווקי מסנני RF אחרים, טכנולוגיית הפוטוניקת ליתיום tantalate תספק פתרונות בעלות נמוכה, בהספק נמוך ובמהירות גבוהה במיוחד עבור הדור הבא -רשתות תקשורת אופטיות במהירות ומערכות פוטוניקה במיקרוגל.