리튬 탄탈레이트(LTOI) 고속전기광학 변조기
5G 및 인공지능(AI)과 같은 신기술의 광범위한 도입으로 글로벌 데이터 트래픽이 지속적으로 증가하고 있으며, 이는 모든 광 네트워크 계층의 트랜시버에 심각한 과제를 안겨줍니다. 특히 차세대 전기광학 변조기 기술은 단일 채널에서 최대 200Gbps의 데이터 전송 속도를 요구하는 동시에 에너지 소비와 비용을 절감해야 합니다. 지난 몇 년 동안 실리콘 포토닉스 기술은 광 트랜시버 시장에서 널리 사용되어 왔는데, 이는 실리콘 포토닉스가 성숙한 CMOS 공정을 사용하여 대량 생산될 수 있다는 사실 때문입니다. 그러나 캐리어 분산에 의존하는 SOI 전기광학 변조기는 대역폭, 전력 소비, 자유 캐리어 흡수 및 변조 비선형성 측면에서 큰 어려움을 겪고 있습니다. 업계의 다른 기술로는 InP, 박막 리튬 니오베이트 LNOI(Long Niobate Niobate Niobate), 전기광학 폴리머, 그리고 기타 다중 플랫폼 이종 집적 솔루션이 있습니다. LNOI는 초고속 및 저전력 변조에서 최고의 성능을 달성할 수 있는 솔루션으로 여겨지지만, 현재 대량 생산 공정 및 비용 측면에서 몇 가지 과제를 안고 있습니다. 최근 연구팀은 우수한 광전 특성과 대량 생산이 가능한 박막 리튬 탄탈레이트(LTOI) 집적 광자 플랫폼을 출시했습니다. 이 플랫폼은 다양한 응용 분야에서 리튬 니오베이트 및 실리콘 광 플랫폼의 성능과 동등하거나 심지어 능가할 것으로 예상됩니다. 그러나 지금까지 핵심 소자는광통신초고속 전기광학 변조기인 은 LTOI에서 검증되지 않았습니다.
본 연구에서 연구진은 먼저 LTOI 전기광학 변조기를 설계하였으며, 그 구조는 그림 1과 같다. 절연체 위의 리튬 탄탈레이트 각 층의 구조 설계와 마이크로파 전극의 매개변수를 통해 마이크로파와 광파의 전파속도를 일치시켰다.전기광학 변조기마이크로파 전극의 손실을 줄이기 위해, 본 연구에서 연구진은 최초로 전도성이 더 우수한 전극 재료로 은을 사용하는 방안을 제안했으며, 은 전극은 널리 사용되는 금 전극에 비해 마이크로파 손실을 82%까지 줄이는 것으로 나타났습니다.
그림 1 LTOI 전기광학 변조기 구조, 위상 정합 설계, 마이크로파 전극 손실 시험.
도 2는 LTOI 전기광학 변조기의 실험 장치 및 결과를 나타낸다.강도 변조광통신 시스템에서 직접 검출(IMDD)을 수행합니다. 실험 결과, LTOI 전기광학 변조기는 176GBd의 부호율로 PAM8 신호를 전송할 수 있으며, 25% SD-FEC 임계값보다 낮은 3.8×10⁻²의 BER을 기록했습니다. 200GBd PAM4와 208GBd PAM2 모두 BER은 15% SD-FEC 및 7% HD-FEC 임계값보다 상당히 낮았습니다. 그림 3의 아이 테스트 및 히스토그램 테스트 결과는 LTOI 전기광학 변조기가 높은 선형성과 낮은 비트 오류율을 갖는 고속 통신 시스템에 사용될 수 있음을 시각적으로 보여줍니다.
그림 2 LTOI 전기광학 변조기를 사용한 실험강도 변조광통신 시스템에서의 직접 검출(IMDD) (a) 실험 장치; (b) PAM8(적색), PAM4(녹색) 및 PAM2(청색) 신호의 측정된 비트 오류율(BER)은 부호율의 함수이다; (c) 비트 오류율 값이 25% SD-FEC 한계 미만인 측정값에 대한 추출된 사용 가능 정보율(AIR, 점선) 및 관련 순 데이터율(NDR, 실선); (d) PAM2, PAM4, PAM8 변조에서의 아이 맵 및 통계 히스토그램.
본 연구는 110GHz의 3dB 대역폭을 갖는 최초의 고속 LTOI 전기광학 변조기를 시연합니다. 강도 변조 직접 검출(IMDD) 전송 실험에서 이 장치는 405Gbps의 단일 반송파 순 데이터 전송 속도를 달성하는데, 이는 LNOI 및 플라즈마 변조기와 같은 기존 전기광학 플랫폼의 최고 성능과 유사합니다. 향후에는 더욱 복잡한IQ 변조기설계 또는 더욱 진보된 신호 오류 정정 기술을 사용하거나 석영 기판과 같은 저마이크로파 손실 기판을 사용하는 리튬 탄탈레이트 소자는 2Tbit/s 이상의 통신 속도를 달성할 것으로 예상됩니다. 낮은 복굴절률과 다른 RF 필터 시장에서 널리 적용되어 나타나는 스케일 효과와 같은 LTOI의 고유한 장점과 결합된 리튬 탄탈레이트 포토닉스 기술은 차세대 고속 광통신 네트워크 및 마이크로파 포토닉스 시스템을 위한 저비용, 저전력, 초고속 솔루션을 제공할 것입니다.
게시 시간: 2024년 12월 11일