리튬 탄탈레이트(LTOI) 고속전기광학 변조기
5G 및 인공지능(AI)과 같은 신기술의 광범위한 도입으로 전 세계 데이터 트래픽이 지속적으로 증가하고 있으며, 이는 광 네트워크의 모든 계층에서 트랜시버에 상당한 어려움을 야기하고 있습니다. 특히 차세대 전기광학 변조기 기술은 에너지 소비와 비용을 절감하면서 단일 채널에서 200Gbps의 데이터 전송 속도를 달성해야 합니다. 지난 몇 년간 실리콘 포토닉스 기술은 성숙한 CMOS 공정을 사용하여 대량 생산이 가능하다는 장점 때문에 광 트랜시버 시장에서 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 캐리어 분산에 의존하는 SOI 전기광학 변조기는 대역폭, 전력 소비, 자유 캐리어 흡수 및 변조 비선형성 측면에서 큰 문제에 직면해 있습니다. 업계에서는 InP, 박막 리튬 니오베이트(LNOI), 전기광학 폴리머 및 기타 다중 플랫폼 이종 통합 솔루션과 같은 다른 기술들도 고려되고 있습니다. LNOI는 초고속 및 저전력 변조에서 최상의 성능을 달성할 수 있는 솔루션으로 여겨지지만, 현재 대량 생산 공정 및 비용 측면에서 몇 가지 과제를 안고 있습니다. 최근 연구팀은 우수한 광전 특성과 대규모 제조가 가능한 박막 리튬 탄탈레이트(LTOI) 집적 광자 플랫폼을 출시했는데, 이는 많은 응용 분야에서 리튬 니오베이트 및 실리콘 광학 플랫폼의 성능과 동등하거나 그 이상을 보여줄 것으로 기대됩니다. 그러나 현재까지 핵심 소자는 아직 개발되지 않았습니다.광통신초고속 전기광학 변조기는 LTOI에서 검증되지 않았습니다.
본 연구에서는 먼저 그림 1에 나타낸 구조를 갖는 LTOI 전기광학 변조기를 설계했습니다. 절연체 상의 리튬 탄탈레이트 각 층의 구조와 마이크로파 전극의 매개변수를 설계함으로써 마이크로파와 광파의 전파 속도 정합을 구현했습니다.전기광학 변조기이 연구에서는 마이크로파 전극의 손실을 줄이는 측면에서, 전도성이 더 우수한 은을 전극 재료로 사용하는 것을 처음으로 제안했으며, 은 전극이 널리 사용되는 금 전극에 비해 마이크로파 손실을 82%까지 줄이는 것을 확인했습니다.
그림 1. LTOI 전기광학 변조기 구조, 위상 정합 설계, 마이크로파 전극 손실 테스트.
그림 2는 LTOI 전기광학 변조기의 실험 장치 및 결과를 보여준다.강도 변조광통신 시스템에서 직접 검출(IMDD) 방식을 사용한 실험 결과, LTOI 전기광학 변조기는 176GBd의 신호 전송률로 PAM8 신호를 전송할 수 있으며, 측정된 비트 오류율(BER)은 3.8×10⁻²로 25% SD-FEC 임계값 미만입니다. 200GBd의 PAM4 및 208GBd의 PAM2 신호 전송률에서도 BER은 15% SD-FEC 및 7% HD-FEC 임계값보다 훨씬 낮았습니다. 그림 3의 아이 테스트 및 히스토그램 결과는 LTOI 전기광학 변조기가 높은 선형성과 낮은 비트 오류율로 고속 통신 시스템에 사용될 수 있음을 시각적으로 보여줍니다.
그림 2. LTOI 전기광학 변조기를 사용한 실험강도 변조광통신 시스템에서 직접 검출(IMDD) (a) 실험 장치; (b) 신호 전송률에 따른 PAM8(빨간색), PAM4(녹색), PAM2(파란색) 신호의 측정된 비트 오류율(BER); (c) 비트 오류율 값이 25% SD-FEC 한계 미만인 측정값에 대한 추출된 유효 정보 전송률(AIR, 점선) 및 관련 순 데이터 전송률(NDR, 실선); (d) PAM2, PAM4, PAM8 변조 시의 아이맵 및 통계적 히스토그램.
본 연구에서는 3dB 대역폭이 110GHz인 최초의 고속 LTOI 전기광학 변조기를 구현했습니다. 강도 변조 직접 검출(IMDD) 전송 실험에서, 이 장치는 단일 캐리어 순 데이터 전송률 405Gbit/s를 달성했으며, 이는 LNOI 및 플라즈마 변조기와 같은 기존 전기광학 플랫폼의 최고 성능과 유사한 수준입니다. 향후 더욱 복잡한 구조를 활용하여 이 장치를 더욱 발전시킬 수 있을 것입니다.IQ 변조기설계 개선이나 더욱 발전된 신호 오류 정정 기술, 또는 석영 기판과 같이 마이크로파 손실이 적은 기판을 사용함으로써 리튬 탄탈레이트 소자는 2Tbit/s 이상의 통신 속도를 달성할 것으로 기대됩니다. 낮은 복굴절률과 다른 RF 필터 시장에서의 광범위한 적용으로 인한 규모 효과와 같은 LTOI의 고유한 장점과 결합하여, 리튬 탄탈레이트 포토닉스 기술은 차세대 고속 광통신 네트워크 및 마이크로파 포토닉스 시스템을 위한 저비용, 저전력, 초고속 솔루션을 제공할 것입니다.
게시 시간: 2024년 12월 11일