华中科大：薄膜钽酸锂TFLT集成偏振控制器实现Mrad·s⁻¹级无复位偏振跟踪

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2601.03652

一、光互连中的偏振控制困境

现代AI训练与推理高度依赖分布式GPU集群，光链路的传输能力已成为系统性能的核心瓶颈。相干光传输虽能提供所需的频谱效率，但复杂的DSP和高功耗LO与大规模计算架构的功率、成本预算冲突。SHC架构通过省去载波恢复环节简化了信号处理，却将偏振稳定的重担转移至光域——接收端信号与载波的SOP必须精准对齐，否则会直接降低有效本振功率，引发载波衰落甚至完全丧失相干检测能力。

实际光纤链路中，双折射、机械振动、温度漂移等因素持续导致SOP波动，而雷击、电源切换等极端事件会使偏振旋转速率飙升至百krad·s⁻¹甚至Mrad·s⁻¹量级。这种超快速波动远超现有集成偏振控制器的跟踪能力，可能导致大规模AI计算中心数千个GPU的分布式训练任务停滞，单次中断就可能造成数十万美元损失。此外，快速发展的双偏振强度调制直接检测（DP-IMDD）架构也面临类似挑战，稳定的偏振控制已成为相干与直接检测互连的共性需求。

然而现有集成偏振控制技术受限于材料本质权衡：硅光子平台虽具备良好的可扩展性和制造成熟度，但依赖的热光或载流子基移相器响应缓慢，且存在寄生强度调制，严重限制跟踪带宽与保真度；薄膜铌酸锂虽支持快速电光相位调制，却需热偏置控制补偿直流漂移，难以适配连续快速变化的SOP。同时，集成移相器的有限调谐范围会导致控制变量触及边界，引发相位突变复位，中断偏振跟踪，这一核心问题长期未得到有效解决。

二、TFLT集成偏振控制器设计与制备

◆ 核心器件架构

该偏振控制器基于x切钽酸锂绝缘体（LTOI）衬底制备，核心由端面耦合器（EC）、偏振分束旋转器（PSR）和2×2马赫-曾德尔干涉仪（MZI）组成，其中MZI包含四个电光（EO）移相器和四个3-dB多模干涉仪（MMI）耦合器。器件通过四个EO移相器重构正交电场分量Ex和Ey的相位差，实现任意SOP的调控。

- EO移相器：采用脊形波导结构，沿LT晶体y轴取向，脊高240nm、宽4μm，顶部沉积1.2μm厚金电极，电极间隙6μm，采用单驱动推挽构型以最大化调制效率。仿真显示，该结构在调制区实现了高效的光电场相互作用。

- 偏振分束旋转器（PSR）：由绝热taper和非对称定向耦合器（ADC）构成。绝热taper段（380μm）将输入TM0模转换为TE1模，TE0模直接传输；ADC区域通过精准设计的波导宽度渐变（直通波导1.7μm至1.5μm，交叉波导0.3μm至0.8μm）和180μm耦合长度，实现TE0与TE1模的高效分离，在1500-1620nm带宽内，TE0模透射率接近1，消光比超40dB，TM0模交叉端口插入损耗小于0.05dB，串扰抑制优于-30dB。

- 端面耦合器：采用氮化硅（SiON）双层锥结构，通过三级绝热过渡实现光纤与LTOI芯片的低损耗耦合。第一级底部波导宽度从0.1μm扩至1.8μm扩大模场，第二级通过宽窄taper结构实现模场从底层到顶层的绝热转移，最终在第三级完全耦合至TFLT波导。该耦合器在120nm带宽内，TE和TM模插入损耗均小于0.35dB，偏振相关损耗（PDL）低于0.3dB

◆ 制备工艺与关键特性

器件基于400nm厚x切TFLT晶圆制备，通过电子束光刻（EBL）曝光波导图案，采用氩离子（Ar⁺）电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀形成240nm深波导，侧壁角70°；后续通过光刻、蒸发和剥离工艺制备金电极，端面耦合器采用与LNOI平台兼容的成熟工艺。

为确定TFLT平台的本征速度，制备并表征了具有相同240 nm刻蚀深度的行波电光调制器。测得的S参数和提取的电光响应（图2b）显示，67 GHz时S21仅下降2.03 dB，对应的3 dB电光带宽预计为86 GHz，证实薄膜钽酸锂波导平台支持亚ns级相位调制，从根本上具备兆弧度每秒级偏振控制所需的超高速运行能力。

对于自适应偏振控制器，移相器特意采用1 cm集总电极而非行波结构，这是系统级权衡的结果：光纤链路中的偏振动态变化以低频分量为主，集总电极在不限制相关跟踪带宽的前提下，提供了更好的偏置稳定性、更低的射频复杂度和更简单的封装。经过引线键合和印刷电路板集成后，封装后的3 dB电光带宽约为1 GHz，仍比实际偏振波动快一个数量级以上。

测试结果显示，该四级APC芯片在紧凑的1.4cm×1.3mm尺寸内，片上插入损耗低于4dB，C波段和L波段全波段PDL低于0.3dB；MZI的半波电压仅2.46V，消光比达24.6dB。得益于TFLT材料更低的本征缺陷密度和更弱的光折变效应，并通过优化器件制备工艺（使电极与钽酸锂直接接触以消除介电弛豫路径、改进二氧化硅沉积技术），显著抑制了直流漂移。为评估动态稳定性，向单个自适应偏振控制器单元施加0.1 Hz至1 MHz的方波信号（图2f），结果显示，在七个数量级的调制频率范围内，输出传输保持稳定且完全可重复，无需退火即可实现可忽略的直流漂移。

三、FBGD算法：破解无复位跟踪难题

传统梯度下降（GD）算法在偏振跟踪中，由于数模转换器（DAC）的有限电压输出范围，集成移相器的调谐范围受到限制。当SOP随机变化时，控制变量必然触及边界，需通过相位复位（如从2π重置为0）恢复调谐余量，而复位过程中的相位突变会导致跟踪中断和相干接收崩溃。

针对这一问题，研究团队提出FBGD算法，核心是在反馈损失函数中引入边界感知正则化项，通过协同调整四个级联移相器的电压，避免单个移相器触及调谐极限，实现长期稳定的连续SOP跟踪。其损失函数定义为功率最小化项与边界正则化项的加权和，其中功率最小化项确保强偏振扰动下的快速收敛，边界正则化项在相位接近极限时产生递增的恢复力，既保证无复位跟踪，又不牺牲收敛速度。

FBGD算法在FPGA控制平台上实现，反馈光功率经模数转换器（ADC）数字化，控制相位通过DAC实时更新至移相器。在200MHz时钟频率下，包含ADC、DAC、外围电路和算法处理的总环路延迟仅约100ns，为超快速偏振跟踪提供了充足带宽。仿真验证表明，与传统GD算法相比，FBGD算法能将相位分布严格限制在边界之外，反馈信号的相对强度误差（RIE）保持在0.12以下，有效避免了复位事件。

四、超快速无复位偏振跟踪验证

◆ 单独偏振跟踪性能

实验搭建了1550nm连续波激光注入系统，通过偏振扰偏器生成覆盖整个庞加莱球的任意旋转SOP，注入四级TFLT APC后，分反馈臂和监测臂进行信号处理。测试结果显示，该控制器在瞬态偏振扰动下的跟踪速度可达2Mrad·s⁻¹，此时99.9%的RIE样本低于0.3，平均RIE低于0.08；在1Mrad·s⁻¹的连续偏振扰动下，实现了稳定无复位跟踪，99.9%的RIE样本低于0.2，最大值不超过0.4，远超现有集成控制器性能。

长期稳定性测试中，1Mrad·s⁻¹偏振扰动下连续运行1小时，RIE分布与短期测试结果无统计学差异，证实了其在雷击级偏振动态下的长期可靠性。针对短距离DCI中常见的低速偏振扰动（<1krad·s⁻¹），该控制器保持19.6dB的平均偏振消光比，单一控制框架可覆盖超过六个数量级的偏振扰动速率。

◆ 系统级性能验证

为评估实际应用效果，团队搭建了400-Gbps 16-QAM SHC传输系统，通过偏振扰偏器模拟真实光纤链路中的快速随机偏振动态。测试结果显示，当偏振扰偏速度在100krad·s⁻¹至1Mrad·s⁻¹范围内时，所有测量的前向纠错（FEC）前误码率（BER）均低于3.8×10⁻³的硬判决FEC阈值，实现无差错传输。

当扰偏速度提升至2Mrad·s⁻¹时，BER超过FEC阈值，但这并非源于偏振跟踪失效（此时99.9%的RIE仍低于0.3），而是由于超快速SOP演化导致移相器有限调谐范围逐渐耗尽，属于集成偏振控制的根本性动态极限，而非实际应用中的性能约束——真实光纤链路中的偏振动态均远低于该极限，控制器可确保稳定解调。

五、技术突破与应用前景

该研究的核心突破在于实现了集成光子平台上Mrad·s⁻¹量级的连续无复位偏振控制。与现有技术相比，TFLT平台兼具超快速电光响应与低直流漂移特性，无需辅助热偏置控制，避免了硅光子平台的速度瓶颈和薄膜铌酸锂的漂移问题。在性能指标上，TFLT偏振控制器同时实现Mrad·s⁻¹级跟踪速度与低于2.5V的半波电压，处于帕累托最优位置，解决了现有平台在速度、效率与稳定性之间的固有权衡。

从应用场景来看，该技术不仅适用于SHC链路，同样可支撑新兴的DP-IMDD架构，通过稳定高速的偏振控制保障信道正交性，最大化频谱效率。在AI驱动的数据中心和短距离通信网络中，该技术解锁了超快速、低功耗、无复位偏振控制的新范式，为下一代光互连的规模化部署提供了关键支撑。

未来，通过优化电子设备和算法进一步降低控制环路延迟，有望突破当前的动态极限，实现更高速度的偏振跟踪。薄膜钽酸锂平台的独特优势，将推动光互连技术在更多高性能计算场景中的应用，为大规模AI计算、高频数据传输等领域提供更可靠的通信保障。