[論文レビュー] First Thin-Film Lithium Tantalate Polarization Controller Enabling Reset-Free Mrad/s Tracking for Optical Interconnects

Zichao Gao, Siyu Lu+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2026

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ひとこと要約

本論文は、リセット不要でMrad/s速度の偏光追従を可能にする初の薄膜リチウムタンタレート偏光コントローラを提示し、収束境界付き勾配降下法（FBGD）による新規制御アルゴリズムを提案する。

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.

研究の動機と目的

• DCIにおける自己ホモダイン転送を不安定化させるランダムで超高速なSOP変動を解決する。
• 薄膜リチウムタンタレート（TFLT）を基盤とする統合偏光コントローラを導入する。
• デバイスのチューニング範囲内でリセット不要な偏光追従を保証する制御アルゴリズムを開発する。

提案手法

• 偏光依存損失 < 0.3 dB、半波長電圧 < 2.5 Vを特徴とする4段構成の電気光学TFLTデバイスを実装する。
• フェインティ・ボーダー・グラデエント降下法（FBGD）制御アルゴリズムを開発し、位相ジャンプなしのリセット不要なSOP進化を保証する。
• 単独の偏光追従試験およびデュアル偏光の16-QAM SHC 400-Gbps伝送システムを用いてAPCを検証する。
• 偏光雑音下で2 Mrad/sまでの過渡追従と、1 Mrad/sまでのリセット不要安定動作を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜リチウムタンタレートベースのデバイスはSHCシステムに対して高速かつリセット不要な偏光制御を提供できるか。
• RQ2 提案するAPCの現実的なDCI条件下での性能限界（SOP追従速度と安定性）はどの程度か。
• RQ3 FBGD制御アルゴリズムは統合位相シフタの有限チューニング範囲内でどう機能するか。
• RQ4 APCは高帯域動作を可能にしつつ低PDLと低DCドリフトを維持できるか。

主な発見

• 過渡雑音下で最大2 Mrad/sの速度でリセット不要な偏光追従を実現。
• 連続的な偏光雑音下でも1 Mrad/sまでリセット不要な安定動作を維持。
• 4段構成APCのPDLを0.3 dB未満、半波長電圧を2.5 V未満に維持。
• 単独追従と400-Gbps SHC 16-QAM伝送システムの双方で有効性を実証。
• 結果はTFLTがコヒーペイントエタラインの超高速・低電力偏光制御の有望なプラットフォームとなることを示唆。