โมดูเลเตอร์ออปติกอิเล็กโทรความเร็วสูงลิเธียมแทนทาเลต (LTOI)

ลิเธียมแทนทาเลต (LTOI) ความเร็วสูงเครื่องปรับคลื่นแสงไฟฟ้า

ปริมาณข้อมูลทั่วโลกยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง โดยได้รับแรงหนุนจากการนำเทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น 5G และปัญญาประดิษฐ์ (AI) มาใช้กันอย่างแพร่หลาย ซึ่งสร้างความท้าทายอย่างมากสำหรับเครื่องรับส่งสัญญาณในทุกระดับของเครือข่ายออปติก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เทคโนโลยีโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้ารุ่นต่อไปนั้นต้องการอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างมากเป็น 200 Gbps ในช่องสัญญาณเดียวในขณะที่ลดการใช้พลังงานและต้นทุนลง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ซิลิคอนได้รับการใช้กันอย่างแพร่หลายในตลาดเครื่องรับส่งสัญญาณออปติก โดยหลักแล้วเป็นเพราะโฟโตนิกส์ซิลิคอนสามารถผลิตได้เป็นจำนวนมากโดยใช้กระบวนการ CMOS ที่สมบูรณ์แบบ อย่างไรก็ตาม โมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้า SOI ที่อาศัยการกระจายตัวของพาหะต้องเผชิญกับความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในด้านแบนด์วิดท์ การใช้พลังงาน การดูดซับพาหะอิสระ และความไม่เชิงเส้นของการปรับสัญญาณ เส้นทางเทคโนโลยีอื่นๆ ในอุตสาหกรรม ได้แก่ InP, ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง LNOI, โพลิเมอร์ออปติกไฟฟ้า และโซลูชันการรวมสัญญาณแบบหลายแพลตฟอร์มที่หลากหลายอื่นๆ LNOI ถือเป็นโซลูชันที่สามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดในการมอดูเลตแบบความเร็วสูงพิเศษและพลังงานต่ำ อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันมีความท้าทายบางประการในแง่ของกระบวนการผลิตจำนวนมากและต้นทุน เมื่อไม่นานนี้ ทีมงานได้เปิดตัวแพลตฟอร์มโฟโตนิกแบบรวมลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) ที่มีคุณสมบัติทางโฟโตอิเล็กทริกที่ยอดเยี่ยมและการผลิตขนาดใหญ่ ซึ่งคาดว่าจะเทียบเท่าหรือดีกว่าประสิทธิภาพของแพลตฟอร์มออปติกลิเธียมไนโอเบตและซิลิกอนในแอปพลิเคชันต่างๆ อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ อุปกรณ์หลักของการสื่อสารด้วยแสงโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกความเร็วสูงพิเศษยังไม่ได้รับการตรวจยืนยันใน LTOI

ในการศึกษาครั้งนี้ นักวิจัยได้ออกแบบโมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติก LTOI เป็นครั้งแรก โดยมีโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ 1 โดยผ่านการออกแบบโครงสร้างของแต่ละชั้นของลิเธียมแทนทาเลตบนฉนวนและพารามิเตอร์ของอิเล็กโทรดไมโครเวฟ การจับคู่ความเร็วการแพร่กระจายของไมโครเวฟและคลื่นแสงในตัวปรับแสงไฟฟ้าได้สำเร็จแล้ว ในแง่ของการลดการสูญเสียของอิเล็กโทรดไมโครเวฟ นักวิจัยในงานวิจัยนี้เสนอให้ใช้เงินเป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่มีสภาพนำไฟฟ้าที่ดีกว่าเป็นครั้งแรก และอิเล็กโทรดเงินได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถลดการสูญเสียไมโครเวฟได้ถึง 82% เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรดทองคำที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย

รูปที่ 1 โครงสร้างโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติก LTOI การออกแบบการจับคู่เฟส การทดสอบการสูญเสียอิเล็กโทรดไมโครเวฟ

รูปที่ 2 แสดงอุปกรณ์ทดลองและผลลัพธ์ของมอดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติก LTOI สำหรับปรับความเข้มข้นได้การตรวจจับโดยตรง (IMDD) ในระบบสื่อสารออปติก การทดลองแสดงให้เห็นว่าโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้า LTOI สามารถส่งสัญญาณ PAM8 ในอัตราสัญญาณ 176 GBd โดยมีค่า BER ที่วัดได้ 3.8×10⁻² ต่ำกว่าเกณฑ์ 25% SD-FEC สำหรับ PAM4 200 GBd และ PAM2 208 GBd BER ต่ำกว่าเกณฑ์ 15% SD-FEC และ 7% HD-FEC อย่างมีนัยสำคัญ ผลการทดสอบสายตาและฮิสโทแกรมในรูปที่ 3 แสดงให้เห็นด้วยสายตาว่าโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้า LTOI สามารถใช้ในระบบสื่อสารความเร็วสูงที่มีความเป็นเส้นตรงสูงและอัตราข้อผิดพลาดบิตต่ำ

รูปที่ 2 การทดลองโดยใช้เครื่องมอดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติก LTOIปรับความเข้มข้นได้การตรวจจับโดยตรง (IMDD) ในระบบสื่อสารออปติก (ก) อุปกรณ์ทดลอง; (ข) อัตราข้อผิดพลาดบิตที่วัดได้ (BER) ของสัญญาณ PAM8(สีแดง), PAM4(สีเขียว) และ PAM2(สีน้ำเงิน) ตามฟังก์ชันของอัตราเครื่องหมาย; (ค) อัตราข้อมูลที่ใช้ได้แยกออกมา (AIR, เส้นประ) และอัตราข้อมูลสุทธิที่เกี่ยวข้อง (NDR, เส้นทึบ) สำหรับการวัดที่มีค่าอัตราข้อผิดพลาดบิตต่ำกว่าขีดจำกัด 25% ของ SD-FEC; (ง) แผนที่ตาและฮิสโทแกรมทางสถิติภายใต้การมอดูเลต PAM2, PAM4, PAM8

งานนี้สาธิตโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้า LTOI ความเร็วสูงเครื่องแรกที่มีแบนด์วิดท์ 3 เดซิเบลที่ 110 GHz ในการทดลองส่งสัญญาณ IMDD แบบตรวจจับโดยตรงด้วยการปรับความเข้ม อุปกรณ์นี้สามารถทำอัตราข้อมูลสุทธิของผู้ให้บริการเดียวที่ 405 Gbit/s ซึ่งเทียบได้กับประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของแพลตฟอร์มออปติกไฟฟ้าที่มีอยู่ เช่น โมดูเลเตอร์ LNOI และพลาสมา ในอนาคต การใช้โมดูเลเตอร์ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นตัวปรับไอคิวการออกแบบหรือเทคนิคแก้ไขข้อผิดพลาดของสัญญาณขั้นสูง หรือการใช้สารตั้งต้นที่มีการสูญเสียคลื่นไมโครเวฟต่ำ เช่น สารตั้งต้นควอตซ์ คาดว่าอุปกรณ์ลิเธียมแทนทาเลตจะบรรลุอัตราการสื่อสาร 2 Tbit/s หรือสูงกว่า เมื่อรวมกับข้อได้เปรียบเฉพาะของ LTOI เช่น การหักเหของแสงแบบคู่ที่ต่ำกว่า และเอฟเฟกต์ของขนาดเนื่องจากการใช้งานอย่างแพร่หลายในตลาดตัวกรอง RF อื่นๆ เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ลิเธียมแทนทาเลตจะให้โซลูชันต้นทุนต่ำ พลังงานต่ำ และความเร็วสูงพิเศษสำหรับเครือข่ายการสื่อสารด้วยแสงความเร็วสูงรุ่นต่อไปและระบบโฟโตนิกส์ไมโครเวฟ