[論文レビュー] A high-speed heterogeneous lithium tantalate silicon photonics platform

Margot Niels, Tom Vanackere+23 more|ArXiv.org|Mar 13, 2025

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

論文は、標準CMOSプロセスを変更せずにリチウム tantalate をシリコンフォトニクス・チップ上に統合し、高速変調を低駆動電圧・低損失で実現することを示している。

ABSTRACT

The rapid expansion of cloud computing and artificial intelligence has driven the demand for faster optical components in data centres to unprecedented levels. A key advancement in this field is the integration of multiple photonic components onto a single chip, enhancing the performance of optical transceivers. Here, silicon photonics, benefiting from mature fabrication processes, has gained prominence. The platform combines modulators, switches, photodetectors and low-loss waveguides on a single chip. However, emerging standards like 1600ZR+ potentially exceed the capabilities of silicon-based modulators. To address these limitations, thin-film lithium niobate has been proposed as an alternative to silicon photonics, offering a low voltage-length product and exceptional high-speed modulation properties. More recently, the first demonstrations of thin-film lithium tantalate circuits have emerged, addressing some of the disadvantages of lithium niobate enabling a reduced bias drift and enhanced resistance to optical damage. As such, making it a promising candidate for next-generation photonic platforms. However, a persistent drawback of such platforms is the lithium contamination, which complicates integration with CMOS fabrication processes. Here, we present for the first time the integration of lithium tantalate onto a silicon photonics chip. This integration is achieved without modifying the standard silicon photonics process design kit. Our device achieves low half-wave voltage (3.5 V), low insertion loss (2.9 dB) and high-speed operation (> 70 GHz), paving the way for next-gen applications. By minimising lithium tantalate material use, our approach reduces costs while leveraging existing silicon photonics technology advancements, in particular supporting ultra-fast monolithic germanium photodetectors and established process design kits.

研究の動機と目的

• データセンターのクラウド/AI需要の高まりの中で、より高速な光部品を動機づける。
• シリコンフォトニクス上で変調器、スイッチ、フォトダテクター、低損失波路のモノリシック統合を実現する。
• 異種材料プラットフォームにおけるリチウム汚染およびCMOS適合性の課題に対処する。

提案手法

• 標準のSi PIC設計キットを変更せずに、リチウム tantalate をシリコンフォトニクス・プラットフォームに統合する。
• デバイスの半波長電圧（Vπ）3.5 V、挿入損失2.9 dBを実現する。
• 70 GHzを超える高速動作をデモンストレーションし、超高速光信号を可能にする。
• 既存のシリコンフォトニクスプロセスを活用し、超高速モノリシックゲルマー光検出器をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リチウム tantalate を標準プロセス設計キットを変更せずにシリコンフォトニクスへ統合できるか。
• RQ2 LiTaO3 をシリコン上で使用する際の実現可能な電気光学性能指標（Vπ、挿入損失）と帯域幅はどれくらいか。
• RQ3 異種プラットフォームは現在のシリコンフォトニクスエコシステムと整合する超高速光機能をサポートするか。

主な発見

• シリコンプロセス設計キットを変更せずに、リチウム tantalate をシリコン・フォトニクス・チップへ統合することに成功。
• 実現した低半波長電圧：3.5 V。
• 低挿入損失：2.9 dB。
• 高速動作を示す：>70 GHz。
• LiTaO3 材料の使用量を最小化し、既存のシリコンフォトニクスの進展（例：ゲルマン系フォトダテクター）を活用する。