硅基光电子谐振器在新一代光互连中的应用

逍遥设计自动化

引言
人工智能和深度学习应用的不断发展正在推动数据中心和高性能计算系统中传统电子互连的极限。硅基光电子互连，特别是采用波分复用(WDM)技术的互连方案，已经显示出满足这些需求的优势。本文介绍硅基光电子谐振器及其在高能效光互连中的应用[1]。
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谐振器工作原理
硅基光电子谐振器是WDM系统的基础构建模块，具有固有的波长选择性和紧凑的结构特点。主要包括两种配置：分别是分插复用(AD)滤波器和全通道(AP)调制器。让我们来探讨基本工作原理。

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图1展示了(a)带有直波导耦合的一阶径向环形滤波器的AD配置，(b)临界耦合一阶AD谐振器的共振附近的模拟光谱传输特性，以及(c)展示共振周期性的光谱传输特性。

当波长的整数倍适配谐振腔的一个光学往返时，就会出现共振条件。关键参数包括决定共振间隔的自由光谱范围(FSR)，以及影响滤波特性和调制能力的半高全宽(FWHM)带宽。

谐振器设计考虑因素
( L0 _7 r( T( R3 u/ v谐振器的物理实现需要仔细考虑各种设计参数。波导几何结构、弯曲半径和耦合区域都在决定性能方面发挥重要作用。

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图2展示了(a)基模TE模式的电场分布，(b-f)不同波导几何结构的有效折射率、模式特性和FSR计算等特性。

谐振器设计需要平衡FSR、损耗和耦合强度之间的权衡。例如，较小的弯曲半径可实现更大的FSR，但会增加辐射损耗。耦合区域的设计影响带宽和消光比。
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图3显示了(a)基本TE0模式的径向相关弯曲损耗和(b)不同几何结构支持的传播模式数量。
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先进谐振器实现
( w1 {$ ?/ Q( j1 V现代谐振器设计通常包含复杂特性以提高性能。多模圆盘谐振器和选择性模式抑制技术可以在保持良好性能的同时实现更高的FSR。

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/ x- A) N/ h# J" _" Q图4说明了(a)不同圆盘半径的模式剖面，(b)带有集成加热器的制造的AD微盘滤波器，以及(c)显示模式抑制效果的传输光谱。

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图5显示了(a)AP圆盘调制器示意图，(b)垂直结掺杂剖面的横截面，(c-f)包括载流子浓度剖面和电学/光学性能指标等各种特性。
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实际应用和性能
基于谐振器的器件在WDM收发器和波长选择开关中都有应用。现代实现方案在带宽密度和能效方面达到了出色的指标。
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图6展示了(a)共振消光比与耦合强度的关系，(b)灵敏度分析，(c)特征耗尽模式移位，以及(d)不同耦合条件下的性能指标。
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- A( d  o& J' `% u( t发展展望
最新发展指向实现拍比特级(peta-scale)互连能力。结合多种谐振器技术的新型架构显示出在保持能效的同时满足未来带宽需求的潜力。

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图7显示了(a)带外部加热器的先进圆盘谐振器设计，(b-c)不同间隙的模式剖面，(d)制造器件的SEM图像，(e-g)包括热调谐和耗尽响应在内的测量性能特征。
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结论
硅基光电子谐振器为新一代光互连提供了强大的平台。紧凑的尺寸、波长选择性和高能效使这些器件能够在保持合理功耗的同时扩展带宽。器件设计和系统架构的持续发展继续推动着该技术的进步。

% o6 a/ z$ w  i  M) ~& f- M本文介绍了硅基光电子谐振器在光互连中的基本原理、设计考虑因素和实际实现。随着该领域的不断进步，这些器件在满足现代计算系统日益增长的需求方面将发挥越来越重要的作用。
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参考文献
A. Novick et al., "High-bandwidth density silicon photonic resonators for energy-efficient optical interconnects," Appl. Phys. Rev., vol. 10, no. 041306, Nov. 2023, doi: 10.1063/5.0160441.
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