Новые фотонные чипы для передачи данных с высокой пропускной способностью

С развитием искусственного интеллекта (ИИ), систем 5G, облачных вычислений и Интернета вещей для передачи данных требуются передатчики чрезвычайно высокой мощности. Сверхбыстрая оптическая модуляция является важной технологией для передатчиков высокой мощности. Большой интерес вызывают высокоскоростные оптические модуляторы. Значительный прогресс был достигнут при использовании различных механизмов в различных материальных системах.

В новом бумага опубликовано в Свет: современное производствоГруппа ученых под руководством Даосинь Дая из Чжэцзянского университета разработала компактный ниобат лития на изоляторе (LNOI). фотонный чип.

Оптические модуляторы на платформе ниобата лития на изоляторе (LNOI) продемонстрировали большой потенциал. Это обусловлено линейным электрооптическим (ЭО) эффектом, низкими избыточными потерями и высокой стабильностью. Модуляторы ЭО ЛНОИ на основе интерферометров Маха-Цендера и микрорезонаторов показали себя превосходно. Длина фазосдвигающих плеч обычно составляет несколько миллиметров или даже сантиметров, что позволяет реализовать низкое напряжение. Внедрены электроды бегущей волны, высокоскоростные МЗМ. Из-за большой занимаемой площади массивы LNOI MZM неудобны для мультиплексированных систем высокой пропускной способности с несколькими каналами.

Альтернативно, модуляторы LNOI на основе резонатора могут быть компактными, что может снизить энергопотребление. Поэтому в последние годы модуляторы LNOI на основе резонаторов привлекли значительное внимание. Исследовательская группа успешно продемонстрировала высокоскоростные модуляторы LNOI на основе специального резонатора Фабри-Перо (FP) 2 × 2. Он обеспечивает сверхвысокую полосу пропускания (3 дБ) за пределами 110 ГГц и скорость передачи данных до 140 Гбит/с. Занимаемая площадь секции модуляции намного меньше, чем у известных модуляторов с кольцевым резонатором LNOI. Это очень привлекательно для построения систем мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM).

Между тем, широко изучаются передовые методы мультиплексирования для расширения пропускной способности канала за счет параллельной передачи данных по нескольким каналам. WDM успешно применяется, при котором вводятся каналы с несколькими длинами волн. В последние годы были разработаны различные конструкции волноводов для реализации фильтров WDM с превосходными характеристиками.

Были предприняты большие усилия и достигнут впечатляющий прогресс благодаря использованию умных конструкций без изгибов волновода в ключевых областях. Четырехканальный чип передатчика грубого WDM на LNOI был продемонстрирован с использованием мультиплексора, включая угловой многомодовый интерферометр. Исследовательская группа предложила и разработала перспективный фотонный фильтр LNOI на основе прямой многомодовой волноводной решетки (MWG). Он обеспечивает коробчатый спектральный отклик, центральная длина волны и полоса пропускания которого могут быть гибко спроектированы. Впервые с использованием каскадных LNOI MWG был создан четырехканальный WDM-фильтр с коробчатыми откликами.

Фотонные волноводы и крупномасштабные схемы предъявляют повышенные производственные требования. Высокое качество изготовления имеет решающее значение для достижения низких потерь и малой фазовой ошибки при распространении света в оптических волноводах. Для фотонных волноводов LNOI установлено несколько типичных технологий изготовления. Сухое травление является предпочтительным из-за его технологической совместимости и повторяемости изготовления. Травление в индуктивно-связанной плазме (ИСП) газом Ar является одним из наиболее распространенных методов изготовления фотонных волноводов и устройств LNOI.

Чип отличается транспортным каскадированием и однородностью каналов. Экспериментально предложенный чип обеспечивает высокую пропускную способность передачи сигналов OOK 320 Гбит/с и сигналов PAM4 400 Гбит/с при низком энергопотреблении 11,9 фДж/бит. Это указывает на огромный потенциал крупномасштабной фотонной интеграции LN и блестящую перспективу LNOI в отношении его широкого использования в интегрированных фотонных устройствах.

Существующий фотонный чип со сверхкомпактным размером может быть масштабирован для большего количества каналов и, таким образом, демонстрирует большой потенциал для дальнейшей реализации сверхвысокопроизводительных и энергоэффективных передатчиков WDM на LNOI в будущем. Представляем SiO₂Твердые маски из аморфного кремния или хрома могут улучшить процесс изготовления. Благодаря усовершенствованному процессу травления потери при распространении (в основном обусловленные потерями на рассеяние на боковых стенках) могут быть уменьшены до масштабов пластины. Он будет поддерживать разработку высокопроизводительных фотонных интегральных схем LNOI и удовлетворять растущие потребности различных приложений.