Heterogent integrerade litiumtantalat-på-silikon-nitrid-modulatorer för höghastighetskommunikation

Snabbare internet på ett litet chip

Strömningstjänster, molnberäkning och artificiell intelligens är alla beroende av att flytta imponerande mängder information genom optiska fibrer. Men de mikroskopiska enheter som omvandlar elektroniska bitar till ljuspulser kämpar för att hinna med. Detta arbete introducerar en ny typ av chiplös “ljusbrytare” som kombinerar två olika material — litiumtantalat och silikon-nitrid — för att driva datahastigheter upp i hundratals miljarder bitar per sekund, samtidigt som förluster hålls låga och tillverkningen skalbar.

Varför nya ljusbrytare behövs

Moderna kommunikationsnät bygger på fotoniska integrerade kretsar, små optiska “moderkort” som styr ljus istället för elektricitet. Silikon-nitrid är ett stjärnmaterial för dessa kretsar eftersom det låter ljus färdas långa sträckor på ett chip med mycket små förluster och kan hantera hög optisk effekt. Det har dock en nackdel: i sig kan silikon-nitrid inte effektivt förändra ljusets intensitet eller fas när en elektrisk signal appliceras, en funktion som är avgörande för att koda data. För att övervinna detta vänder sig forskare till ferroelektriska kristaller som litiumtantalat, vilka reagerar nästan omedelbart på elektriska fält genom en företeelse kallad Pockels-effekten och möjliggör ultrahögfrekvent modulering av ljus.

Att bygga en hybrid fotonisk plattform

Teamet utvecklade en wafer-skala process för att binda en ultratunn film av litiumtantalat direkt på prefabricerade silikon-nitridvågledare. Först skapar de lågförlustande silikon-nitridkretsar med en så kallad Damascene-process, vilket ger släta vågledare med stark ljuskonfinement. Separat förbereds litium-tantalat-på-isolator-wafer. Efter noggrann ytavdukning och aktivering för de två waferna i kontakt så att molekylära krafter binder dem, och en efterföljande värmebehandling stärker förbindelsen. Kiselstödet under litiumtantalatet avlägsnas sedan, vilket exponerar ett tunt ferroelektriskt lager noggrant placerat över silikon-nitridvågledarna utan behov av aggressiv etsning som kan skada materialen eller öka elektriska förluster.

Att omvandla elektricitet till ultrahögfrekventa ljussignaler

På denna hybrida plattform mönstrar forskarna metallelektroder för att bygga Mach–Zehnder-modulatorer och mer komplexa in-fas/kvadratur (IQ)-modulatorer. I dessa enheter färdas ljus från en laser genom ett par banor vars interferens styrs av små spänningsändringar applicerade över litiumtantalatskiktet. Modulatorerna uppnår ett volt–längd-produkt på ungefär 4 V·cm, vilket betyder att de kan ge en stark modulationsffekt över endast några millimeter av enhetens längd med måttliga drivspänningar. Deras respons förblir platt upp till omkring 100 gigahertz, vilket visar att de kan följa extremt snabba elektriska förändringar. Viktigt är att de hybrida vågledarna bibehåller låg optisk förlust — omkring 14 dB per meter — och enheterna visar stabil drift under konstant bias med mycket liten drift över en timme, ett problem som plågat vissa tidigare ferroelektriska modulatorer.

Att driva datahastigheter till nya nivåer

För att testa vad dessa modulatorer kan göra i verkliga kommunikationssituationer sände teamet avancerade optiska signaler över fiber. Med en enda intensitetsmodulator driven med fyrnivå-pulsamplitudsignaler nådde de nettodatakurser upp till 333 gigabit per sekund efter hänsyn till realistiska felkorrigeringskoder. Med IQ-modulatorerna, som styr både ljusets intensitet och fas och är standard i långdistans koherenta system, sände de mer komplexa 16-stats kvadraturamplitudmoduleringssignaler. Dessa experiment uppnådde linjehastigheter upp till 704 gigabit per sekund och nettodatakurser så höga som 581 gigabit per sekund — siffror som kan matcha eller överträffa många befintliga integrerade plattformar samtidigt som de använder den lågförlustande silikon-nitridgrunden.

Vad detta innebär för framtida nätverk

Genom att förena den lågförlustande, mogna tillverkningen av silikon-nitridfotoniska kretsar med den ultrahögfrekventa elektro-optiska responsen hos tunnfilmigt litiumtantalat ger detta arbete en praktisk väg till snabbare, mer effektiva optiska länkar. De hybrida enheterna kan produceras över hela wafers med hög avkastning, vilket gör dem attraktiva för storskalig utrullning. Utöver att snabba upp internetstammar och datacenter kan samma plattform ligga till grund för kompakta mikrovågs-till-optiska omvandlare, precisionslasersystem och nästa generations lidar-sensorer. Enkelt uttryckt visar studien hur en noggrant konstruerad materialstack kan förvandla ett passivt ljusledande chip till en aktiv, höghastighetsmotor för informationsåldern.

Citering: Cai, J., Kotz, A., Larocque, H. et al. Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications. Nat Commun 17, 3314 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69769-3

Nyckelord: fotonålt integrerade kretsar, elektro-optiska modulatorer, silicon nitride, litiumtantalat, höghastighets optisk kommunikation