[논문 리뷰] First Thin-Film Lithium Tantalate Polarization Controller Enabling Reset-Free Mrad/s Tracking for Optical Interconnects

Zichao Gao, Siyu Lu외 17명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 07.

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한 줄 요약

본 논문은 재설정 없이 Mrad/s 속도의 편광 추적이 가능한 최초의 통합 박막 리튬 탄탈레이트 편광 제어기를 제시하며, 새로운 유한 경계 기울기 하강(FBGD) 제어 알고리즘을 포함한다.

ABSTRACT

The rapid escalation of computing power driven by large-scale artificial intelligence is placing unprecedented demands on the bandwidth, latency, and energy efficiency of data-center interconnects (DCIs). Self-homodyne coherent (SHC) transmission is a promising architecture because it preserves the spectral efficiency of coherent detection while greatly simplifying digital signal processing, but its practical deployment is critically limited by random and often ultrafast state-of-polarization (SOP) fluctuations that induce carrier fading and destabilize coherent reception. Here we report the first integrated polarization controller based on thin-film lithium tantalate (TFLT), enabling reset-free polarization tracking at Mrad/s speeds. The four-stage electro-optic device exhibits polarization-dependent loss (PDL) below 0.3 dB, a half-wave voltage below 2.5 V, high modulation bandwidth, and negligible DC drift. To accommodate the finite tuning range of integrated phase shifters, we develop a finite-boundary gradient-descent (FBGD) control algorithm that ensures reset-free SOP evolution with no phase jump. The implemented adaptive polarization controller (APC) is validated through both standalone polarization-tracking measurements and a dual-polarization 16-QAM SHC 400-Gbps transmission system. Transient polarization disturbances can be tracked at speeds up to 2 Mrad/s, while stable reset-free operation under continuous polarization disturbances is maintained up to 1 Mrad/s. This reset-free performance represents more than doubling the state of the art, while the pre-FEC bit-error rates remain below the HD-FEC threshold under realistic DCI conditions and lightning-scale polarization disturbances. These results establish TFLT as a new platform for ultrafast, low-power, reset-free, and drift-free polarization control in coherent optical interconnects and beyond.

연구 동기 및 목표

• DCI에서 자기 동조 코히런트 전송을 불안정하게 만드는 무작위의 초고속 SOP 변동을 해결한다.
• 박막 리튬 탄탈레이트(TFLT)를 기반으로 한 통합 편광 제어기를 도입한다.
• 장치의 조정 범위 내에서 재설정 없이 편광 추적을 보장하는 제어 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 편광 의존 손실 < 0.3 dB 및 하프-웨이브 전압 < 2.5 V인 4단계 전기광학 TFLT 소자를 구현한다.
• 유한 경계 기울기 하강(FBGD) 제어 알고리즘을 개발하여 위상 도약 없이 재설정-free SOP 진화를 보장한다.
• 단독 편광 추적 시험과 이중 편 polarization 16-QAM SHC 400-Gbps 전송 시스템을 통해 APC를 검증한다.
• 편광 교란 하에서 2 Mrad/s까지의 과도 추적 및 1 Mrad/s까지의 안정적인 재설정 없는 동작을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박막 리튬 탄탈레이트 기반 소자가 SHC 시스템에 대해 빠르고 재설정 없는 편광 제어를 제공할 수 있는가?
• RQ2 제안된 APC의 현실적인 DCI 조건에서의 성능 한계(= SOP 추적 속도 및 안정성)는 무엇인가?
• RQ3 통합 위상 쉬프터의 유한 조정 범위 내에서 FBGD 제어 알고리즘의 성능은 어떠한가?
• RQ4 APC가 고대역폭 작동을 가능하게 하면서도 낮은 PDL과 낮은 DC 드리프트를 유지하는가?

주요 결과

• 일시적 교란에 대해 2 Mrad/s까지의 재설정 없는 편광 추적.
• 연속 편광 교란 하에서 1 Mrad/s까지의 안정적인 재설정 없는 동작 유지.
• 4단계 APC에서 PDL은 0.3 dB 미만, 하프-웨이브 전압은 2.5 V 미만으로 유지.
• 독립 추적과 400-Gbps SHC 16-QAM 전송 시스템 모두에서 효과를 입증했다.
• 결과는 TFLT가 코히런트 인터커넥트에서 초고속, 저전력 편광 제어를 위한 유망한 플랫폼임을 시사한다.