TOPIC彎曲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低損耗和低功耗硅基環(huán)形諧振器

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
硅基光電子技術(shù)作為電子與光子技術(shù)交叉的創(chuàng)新領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)更快速、更節(jié)能且更緊湊的數(shù)據(jù)傳輸方案提供了關(guān)鍵支持。在使用波分復(fù)用(WDM)的光通信系統(tǒng)中，環(huán)形諧振器在信號調(diào)制、添加和分離等功能中發(fā)揮著核心作用。然而，傳統(tǒng)的圓形環(huán)形諧振器在自由譜范圍(FSR)、環(huán)形往返損耗、環(huán)形-總線耦合以及諧振調(diào)諧效率等方面存在局限性。本文介紹三階多項(xiàng)式互連圓形(TOPIC)彎曲設(shè)計(jì)，針對這些挑戰(zhàn)提供了全新解決方案[1]。
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波導(dǎo)彎曲的技術(shù)挑戰(zhàn)
在硅基光電子技術(shù)中，波導(dǎo)彎曲會(huì)產(chǎn)生多種損耗機(jī)制。雖然材料吸收可以忽略不計(jì)，輻射損耗僅在極小半徑時(shí)才顯著，但側(cè)壁散射和模式轉(zhuǎn)換是兩個(gè)主要的損耗來源。當(dāng)光在彎曲波導(dǎo)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生畸變并向外邊界偏移。彎曲曲率越大，畸變程度越高，導(dǎo)致模式轉(zhuǎn)換損耗增加。

圖1展示了波導(dǎo)彎曲中的光學(xué)模式畸變，包括直波導(dǎo)和圓形波導(dǎo)之間的連接示意圖、光場分布以及模式轉(zhuǎn)換損耗計(jì)算。
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TOPIC彎曲設(shè)計(jì)
. ]1 @( A* y$ J  U1 J! {$ R0 FTOPIC彎曲代表了革新性的環(huán)形設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)圓形彎曲相比，TOPIC彎曲具有連續(xù)的曲率和曲率導(dǎo)數(shù)特性，這在理論上對于優(yōu)化波導(dǎo)損耗具有根本性意義。

圖2展示了TOPIC彎曲設(shè)計(jì)的示意圖，包括與傳統(tǒng)圓形曲線的比較以及不同參數(shù)對彎曲特性的影響。

性能與實(shí)現(xiàn)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TOPIC彎曲能夠顯著降低損耗�？勺儗挾萒OPIC彎曲實(shí)現(xiàn)了0.017 ± 0.005 dB的超低損耗，相比之下，圓形彎曲為0.378 ± 0.026 dB，歐拉彎曲為0.293 ± 0.030 dB。

' S* P9 S, n6 q  Z6 E) r3 w圖3展示了不同180°波導(dǎo)彎曲的測量插入損耗，對比了各種設(shè)計(jì)和配置。

$ B- B- g9 M; a; y0 q) T$ l9 P環(huán)形諧振器應(yīng)用
當(dāng)應(yīng)用于環(huán)形諧振器時(shí)，TOPIC彎曲實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破：

單模工作的硅基環(huán)形諧振器最小半徑(0.7 μm)

FSR≥3.2 THz環(huán)形諧振器最低熱調(diào)諧功率(5.85 mW/π)

首個(gè)基于硅基環(huán)形諧振器的WDM 32×100 GHz濾波器
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! n5 v5 Q  r8 i( \% H2 q$ r圖4展示了基于TOPIC彎曲構(gòu)建的分插環(huán)形諧振器的FSR和往返損耗測量結(jié)果，展示了不同配置下的優(yōu)異性能。
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, Z: T( G. d8 w- BWDM濾波器實(shí)現(xiàn)
TOPIC彎曲設(shè)計(jì)使高性能WDM濾波器成為現(xiàn)實(shí)。通過實(shí)現(xiàn)32×100 GHz濾波器架構(gòu)，達(dá)到了以下規(guī)格：
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通道FWHM為75±4 GHz

插入損耗1.91 ± 0.28 dB

通道隔離度≥15.75 dB

調(diào)諧效率283 GHz/mW每通道


圖5展示了基于TOPIC彎曲的WDM 32×100 GHz濾波器的測量光譜，包括光學(xué)顯微鏡圖像和傳輸光譜。

實(shí)際實(shí)現(xiàn)
為實(shí)現(xiàn)最佳性能，TOPIC彎曲采用了集成于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的摻雜硅加熱器。這種集成方式實(shí)現(xiàn)了高效的熱調(diào)諧，同時(shí)保持低光學(xué)損耗。
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# \& V/ W% ~5 M! O圖6展示了嵌入TOPIC彎曲中的摻雜硅加熱器，包括溫度分布和調(diào)諧特性。
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. o# I! @' H6 f! j. f發(fā)展方向與應(yīng)用
TOPIC彎曲設(shè)計(jì)能夠同時(shí)最小化側(cè)壁散射和模式轉(zhuǎn)換損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)緊湊尺寸和高效熱調(diào)諧的特點(diǎn)，使其在未來光電子集成線路中具有廣泛應(yīng)用潛力。在WDM應(yīng)用中展示的性能表明，這種技術(shù)在高密度光互連和通信系統(tǒng)中具有實(shí)用價(jià)值。

4 J. W, Z% N+ f) e. o2 I圖7展示了帶有摻雜硅加熱器的基于WGM的分插環(huán)形諧振器示意圖，展示了TOPIC彎曲在功能器件中的實(shí)際應(yīng)用。

. C  ^- }" [) D+ L5 L# \# [參考文獻(xiàn)
8 w) n' f2 Q! q; ^+ z[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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