TOPIC弯曲结构实现低损耗和低功耗硅基环形谐振器

逍遥设计自动化

引言
; c, [$ u9 Y' X; x7 {( V% j# O, G硅基光电子技术作为电子与光子技术交叉的创新领域，为实现更快速、更节能且更紧凑的数据传输方案提供了关键支持。在使用波分复用(WDM)的光通信系统中，环形谐振器在信号调制、添加和分离等功能中发挥着核心作用。然而，传统的圆形环形谐振器在自由谱范围(FSR)、环形往返损耗、环形-总线耦合以及谐振调谐效率等方面存在局限性。本文介绍三阶多项式互连圆形(TOPIC)弯曲设计，针对这些挑战提供了全新解决方案[1]。
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" V  t. D, S( @0 B. }5 {+ M波导弯曲的技术挑战
在硅基光电子技术中，波导弯曲会产生多种损耗机制。虽然材料吸收可以忽略不计，辐射损耗仅在极小半径时才显著，但侧壁散射和模式转换是两个主要的损耗来源。当光在弯曲波导中传播时，会发生畸变并向外边界偏移。弯曲曲率越大，畸变程度越高，导致模式转换损耗增加。
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图1展示了波导弯曲中的光学模式畸变，包括直波导和圆形波导之间的连接示意图、光场分布以及模式转换损耗计算。
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1 H- S' ?( r2 t! M" U$ x. Q2 p. iTOPIC弯曲设计
$ U, s+ h8 o! t, R7 |TOPIC弯曲代表了革新性的环形设计方法。与传统圆形弯曲相比，TOPIC弯曲具有连续的曲率和曲率导数特性，这在理论上对于优化波导损耗具有根本性意义。
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图2展示了TOPIC弯曲设计的示意图，包括与传统圆形曲线的比较以及不同参数对弯曲特性的影响。
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性能与实现
0 P* G; }/ M4 b9 f- M实验结果表明，TOPIC弯曲能够显著降低损耗。可变宽度TOPIC弯曲实现了0.017 ± 0.005 dB的超低损耗，相比之下，圆形弯曲为0.378 ± 0.026 dB，欧拉弯曲为0.293 ± 0.030 dB。

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' J6 g8 s# D. Z) [$ }1 H8 J图3展示了不同180°波导弯曲的测量插入损耗，对比了各种设计和配置。
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环形谐振器应用
* A& J. A: @% a$ O# R5 ]! X; @, S当应用于环形谐振器时，TOPIC弯曲实现了多项突破：

单模工作的硅基环形谐振器最小半径(0.7 μm)

FSR≥3.2 THz环形谐振器最低热调谐功率(5.85 mW/π)

首个基于硅基环形谐振器的WDM 32×100 GHz滤波器

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$ W& R8 S& C* P0 c7 c) w8 B) V图4展示了基于TOPIC弯曲构建的分插环形谐振器的FSR和往返损耗测量结果，展示了不同配置下的优异性能。

$ u+ q3 S1 y: }4 ?6 [1 |2 bWDM滤波器实现
! i( }  g. `# {9 W: l1 t4 DTOPIC弯曲设计使高性能WDM滤波器成为现实。通过实现32×100 GHz滤波器架构，达到了以下规格：

通道FWHM为75±4 GHz

插入损耗1.91 ± 0.28 dB

通道隔离度≥15.75 dB

调谐效率283 GHz/mW每通道
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# e( U5 x; J0 z3 x图5展示了基于TOPIC弯曲的WDM 32×100 GHz滤波器的测量光谱，包括光学显微镜图像和传输光谱。
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: i/ L' t* i5 m4 D3 {5 x: o* l实际实现
为实现最佳性能，TOPIC弯曲采用了集成于波导结构中的掺杂硅加热器。这种集成方式实现了高效的热调谐，同时保持低光学损耗。

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图6展示了嵌入TOPIC弯曲中的掺杂硅加热器，包括温度分布和调谐特性。

, M4 _) n! X4 J$ X- B$ Q# V发展方向与应用
: ?4 q9 v( v* V: T  H% j$ ?TOPIC弯曲设计能够同时最小化侧壁散射和模式转换损耗，同时实现紧凑尺寸和高效热调谐的特点，使其在未来光电子集成线路中具有广泛应用潜力。在WDM应用中展示的性能表明，这种技术在高密度光互连和通信系统中具有实用价值。
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' n* X9 p# ~" @& a. H图7展示了带有掺杂硅加热器的基于WGM的分插环形谐振器示意图，展示了TOPIC弯曲在功能器件中的实际应用。

& B( E* H' R: d! Z+ {3 t参考文献
[1] Q. Deng et al., "Low-Loss and Low-Power Silicon Ring Based WDM 32×100 GHz Filter Enabled by a Novel Bend Design," arXiv:2411.15025v1 [physics.optics], Nov. 2024.
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