实现超过Tbps DWDM技术的低损耗微环谐振器滤波器

逍遥设计自动化

引言
: {" W+ m& Q6 y+ n在当今云计算和数据密集型应用的时代，传统数据中心架构面临着显著的带宽挑战。硅基光电子互连架构已成为一个有效的解决方案，具有高带宽密度和能源效率。本文探讨了一种创新的微环谐振器(MRR)滤波器方法，使密集波分复用(DWDM)的总数据速率超过1太比特每秒[1]。

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基本原理
DWDM系统中的最大总数据带宽由两个关键因素决定：每个信道的数据速率(Gbps/λ)和波长信道数量(Nλ)。三个关键参数影响Nλ：最小信道间隔(?λaggressor)、谐振器自由光谱范围(FSR)和非谐振插入损耗(ILoff)。先前的研究表明，在C波段中，信道间隔低至100 GHz（约0.8nm）时，可以实现25 Gbps/λ的片上DWDM。

为在DWDM系统中实现最佳性能，谐振器的半高全宽(FWHM)应至少是每信道数据速率的两倍。对于25 Gbps/λ运行，最小FWHM需要达到50GHz。假设谐振器往返损耗可忽略不计，这要求C波段中的通过波导和耦合波导的功率耦合约为5%。
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6 B2 }2 I/ Y5 ]2
+ O( q+ `* L* {1 `6 E  w/ d先进设计实现

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图1：完整说明展示了(a) 180°混合欧拉弯曲及其可变波导宽度，(b) 光学传输的模拟场分布，(c) 模拟的IL(λ)/弯曲，(d) 微型赛道式MRR滤波器的硅基布局，(e) MRR的模拟场分布，(f) 通过端口测量的模拟MRR IL(λ)。
+ p- x/ w! ?0 a2 n: g2 _
8 v* R4 V1 l  [) j" b" `创新设计采用了一对180°改进型混合欧拉弯曲，结合了串联的欧拉和径向弯曲，具有可变宽度。这种方法比传统设计实现了多项重要改进：

准椭圆形MRR几何结构提供了延伸的线性耦合区域

从通过波导中去除紧密的S形弯曲，消除了非谐振弯曲和模式失配损耗

设计保持FSR > 40nm的同时显著降低了ILoff
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3
  J4 p" V# W, H) Y! v. y实验结果和性能分析

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9 D2 P$ o! ]- g" D! F: B图2：实验结果显示(a) 多个MRR的测量传输，(b) 热调谐响应，(c) 多个光刻版重复区域的变化，(d) 不同谐振器设计的切断测量比较。

实验结果显示了以下重要成果：
& D' W  X+ ~3 a' [1. 稳定性能：
FSR超过40nm
FWHM约50 GHz
- j4 c* s4 X' D  m热调谐效率达到0.63 nm/mW
6 P5 N# N# o* @6 s; T7 `
+ i) }" _- U. v8 ?" s: M9 w2. 制造可靠性：
在300mm晶圆上8个光刻版重复区域的测量显示谐振位置变化1σλ0 = 1.1nm
99.7%的制造器件在标称目标波长的±3.3nm范围内
5 d. E  R. W% v$ d每个器件平均热调谐能量为5.24 mW，用于补偿制造偏差

: y  r- J: v; j( O* t) Z3. 改进效率：
与相位匹配耦合方案相比，设计将ILoff降低超过4倍
这种改进在C波段和L波段都得到保持
2 q( g8 O: I& u7 i4 A5 f% y热调谐效率使25 Gbps/λ时实现210 fJ/bit的低功耗运行

4
应用和影响
这种创新的MRR滤波器设计实现了多项突破性能力：

支持最多50个波长信道，ILlimit ≤ 1dB且?λaggressor ≥ 0.8nm

使用单个阵列可实现高达1.25 Tbps的总DWDM接收器带宽

提高了下一代光子互连的能源效率

改善了大规模生产的制造容差
0 [# H1 w5 T  [. _1 E[/ol]
, N# G+ o" [3 q; j0 J6 l在插入损耗和FSR方面的改进使该设计特别适用于高密度光互连应用，这些应用对带宽密度和能源效率都有严格要求。

. I9 ]% {. o4 ]5
发展展望
6 H$ o* i2 v7 M3 H, V( I' l$ E4 X本设计所展示的成果代表了硅基光电子互连技术的重要进步。宽FSR、低插入损耗和高效热调谐的组合为高带宽光通信系统的未来发展提供了坚实基础。随着数据中心和高性能计算需求持续增长，这类光子互连技术创新对于维持性能提升和管理功耗变得越来越重要。
8 G3 Z) \: L# E
本文介绍了先进的MRR滤波器设计，推动了DWDM系统的技术边界。实验结果证明了这种方法在实现下一代高能效、高带宽密度的片上DWDM互连方面具有显著优势。
7 a& j" o3 S7 b% d3 R
参考文献
  I9 J" g5 h( N& D$ C5 S) P: ^" h[1] Novick, K. Jang, A. Rizzo, R. Parsons, and K. Bergman, "Low-Loss Wide-FSR Miniaturized Racetrack Style Microring Filters for ≥1 Tbps DWDM," in OFC 2023, San Diego, CA, USA, 2023, Paper Th3A.3.
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