基於新型彎曲設計的低損耗、低功耗矽環形 WDM 32×100 GHz 濾波器

核心概念

本文提出了一種基於新型彎曲設計的低損耗、低功耗矽環形諧振器，並以此實現了 WDM 32×100 GHz 濾波器，該濾波器在通道數量和插入損耗方面均優於現有技術。

摘要

文獻摘要

本研究論文介紹了一種名為「三次多項式互連圓形彎曲」（TOPIC）的新型設計，用於矽光子學中的環形諧振器。TOPIC 彎曲旨在解決傳統圓形彎曲的限制，例如自由光譜範圍 (FSR)、環形往返損耗、環形匯流排耦合和諧振調諧效率之間的權衡。

傳統上，圓形彎曲在光波導中會導致模式轉換損耗和側壁散射損耗。TOPIC 彎曲通過確保曲率及其導數沿著波導路徑的連續性來解決這些問題，從而最大程度地減少模式轉換損耗。此外，TOPIC 彎曲允許調整設計參數以平衡模式轉換損耗和側壁散射損耗，從而實現整體損耗最小化。

實驗結果表明，與圓形彎曲、歐拉彎曲和傳統的耳語迴廊模式 (WGM) 彎曲相比，TOPIC 彎曲顯著降低了損耗。具體來說，與圓形彎曲中的 0.378 ± 0.026 dB、歐拉彎曲中的 0.293 ± 0.030 dB 和傳統 WGM 彎曲中的 0.242 ± 0.006 dB 相比，TOPIC 彎曲實現了 0.017 ± 0.005 dB 的極低損耗。

通過將 TOPIC 彎曲應用於環形諧振器，研究人員實現了具有單一導模諧振的最小半徑矽環 (0.7 µm)、具有 FSR≥3.2 THz 的最低熱調諧功率矽環 (5.85 mW/π) 以及首個基於矽環的 WDM 32×100 GHz 濾波器。

該濾波器採用 32 個環形諧振器，這些諧振器耦合到 4 個平行匯流排波導，通道間隔為 100 GHz。採用 4 通道級聯馬赫-曾德爾干涉儀 (MZI) 交織器將輸入信號劃分為 4 組 8×400 GHz 信號，並將其饋送到匯流排波導。通過將摻雜矽加熱器集成到 TOPIC 彎曲中，可以實現對濾波器工作波長的熱調諧。

測量結果表明，WDM 32×100 GHz 濾波器表現出 1.91 ± 0.28 dB 的低插入損耗、≥15.75 dB 的通道隔離度和 283 GHz/mW/通道的調諧效率。與現有的基於矽環的 WDM 濾波器相比，該濾波器在通道數量和插入損耗方面均有所提高。

研究成果

• 開發了一種用於低損耗光波導設計的新型 TOPIC 彎曲。
• 實驗證明，與現有彎曲設計相比，TOPIC 彎曲可顯著降低損耗。
• 證明了基於 TOPIC 彎曲的緊湊型低損耗環形諧振器的製造。
• 通過將 TOPIC 彎曲集成到環形諧振器中，實現了創紀錄的低熱調諧功率。
• 展示了首個基於矽環的 WDM 32×100 GHz 濾波器，該濾波器具有低插入損耗和高通道數量。

研究意義

本研究通過引入 TOPIC 彎曲這一突破性設計，極大地促進了矽光子學領域的發展。TOPIC 彎曲的卓越性能為實現具有更高集成度、更低功耗和更高性能的下一代光學器件和系統（例如 WDM 濾波器）開闢了新的途徑。此外，TOPIC 彎曲的多功能性使其適用於各種光子應用，從而徹底改變了光通信、傳感和生物成像領域。

統計資料

與圓形彎曲相比，TOPIC 彎曲將損耗降低了 22 倍以上。
與包括廣泛使用的歐拉彎曲在內的現有低損耗彎曲設計相比，TOPIC 彎曲將損耗降低了 14 倍以上。
基於 TOPIC 彎曲的矽環諧振器實現了 0.7 µm 的最小半徑。
具有 FSR≥3.2 THz 的矽環實現了 5.85 mW/π 的最低熱調諧功率。
基於 TOPIC 彎曲的 WDM 32×100 GHz 濾波器表現出 1.91 ± 0.28 dB 的插入損耗和 283 GHz/mW/通道的調諧效率。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Low-Loss and Low-Power Silicon Ring Based WDM 32$\times$100 GHz Filter Enabled by a Novel Bend Design

by Qingzhong De... 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.15025.pdf

深入探究

TOPIC 彎曲設計如何應用於其他光子器件，例如調製器和開關？

TOPIC 彎曲設計，憑藉其低損耗、小尺寸以及與加熱器集成能力等優勢，在調製器和開關等其他光子器件中也擁有廣闊的應用前景：
1. 調製器:

緊湊型馬赫-曾德爾調製器 (MZM): TOPIC 彎曲可用於構建尺寸更緊湊的 MZM，縮小器件尺寸並降低功耗。其低損耗特性有助於提升調製器的消光比和插入損耗性能。
微環調製器 (MRM): TOPIC 彎曲可以實現超小半徑的微環，從而獲得更大的自由光譜範圍 (FSR) 和更快的調製速度。與加熱器的集成能力可以實現更節能的熱光調製。
慢光調製器: TOPIC 彎曲的變寬設計可以實現慢光效應，增強光與物質的相互作用，從而降低調製電壓或提升調製效率。
2. 開關:

熱光開關: TOPIC 彎曲與加熱器的集成可以構建高效的熱光開關。通過控制加熱器的功率，可以改變波導的折射率，進而實現光的開關功能。
微機械開關: TOPIC 彎曲可以與微機電系統 (MEMS) 技術結合，構建基於機械位移的光開關。其小尺寸和低損耗特性有助於提升開關的速度和性能。
總之，TOPIC 彎曲設計為光子器件的小型化、低功耗和高性能發展提供了新的可能性，預計在未來将在更多光子器件中得到廣泛應用。

TOPIC 彎曲的製造工藝是否可以擴展到批量生產，其成本效益如何？

TOPIC 彎曲的製造工藝與現有的硅光子製造工藝兼容，可以利用現有的 193nm 深紫外光刻技術進行大規模生產。其成本效益主要體現在以下幾個方面：

設計複雜度: TOPIC 彎曲的設計規則明確，易於使用計算機輔助設計 (CAD) 工具進行自動化設計，降低了設計成本。
製程相容性: TOPIC 彎曲的製造無需額外的光刻掩膜版或特殊工藝步驟，可直接整合到現有的 CMOS 製程中，減少了額外成本。
器件性能: TOPIC 彎曲的低損耗特性可以縮小器件尺寸，提高集成度，從而降低單位芯片的製造成本。
然而，與傳統彎曲相比，TOPIC 彎曲的製造也存在一些挑戰：

工藝容差: TOPIC 彎曲的性能對光刻和蝕刻工藝的精度要求更高，需要更嚴格的工藝控制來確保器件的一致性。
測試驗證: TOPIC 彎曲的測試需要更精密的設備和方法，以準確評估其低損耗特性。
總體而言，TOPIC 彎曲的製造工藝可以利用現有的硅光子技術平台進行批量生產，具備良好的成本效益。隨著工藝技術的進步和生產規模的擴大，預計其製造成本將進一步降低。

除了光通信，低損耗和低功耗光子器件的發展如何革新其他領域，例如生物醫學傳感和量子計算？

低損耗和低功耗光子器件的發展，例如採用 TOPIC 彎曲設計的器件，不僅革新了光通信領域，也為生物醫學傳感和量子計算等領域帶來了新的突破：
1. 生物醫學傳感:

高靈敏度傳感器: 低損耗光波導可以增強光與生物樣品的相互作用，提高傳感器的靈敏度，實現對微量生物分子的檢測，例如病毒、蛋白質和 DNA 等。
片上實驗室: 低功耗光子器件可以實現將實驗室的功能集成到單一芯片上，構建微型化、便攜式的生物醫學檢測平台，應用於即時診斷和個性化醫療等領域。
生物成像: 低損耗光波導可以傳輸高質量的光學信號，提高生物成像的分辨率和深度，例如應用於內窺鏡和光學相干斷層掃描 (OCT) 等技術。
2. 量子計算:

量子光路: 低損耗光波導可以構建用於傳輸和處理量子信息的光量子线路，降低量子信息的損失，提高量子計算的保真度。
量子芯片集成: 低功耗光子器件可以與其他量子計算元件，例如超導量子比特，集成在同一芯片上，構建更加紧凑和稳定的量子計算系統。
量子通信: 低損耗光波導可以用于构建远距离量子通信网络，降低量子信息的传输损耗，提高量子密钥分发的安全性。
總之，低損耗和低功耗光子器件的發展為生物醫學傳感和量子計算等領域帶來了新的机遇，推動了相關技術的發展，並將在未來對人類生活產生深遠的影響。