张敏明教授课题组片上光互连与光路由研究的新进展-华中科技大学光学与电子信息学院
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张敏明教授课题组片上光互连与光路由研究的新进展

作者:常卫杰 时间:2018-06-07 点击数:

单芯片多处理器(CMP)是高性能微处理器的发展方向,如何实现数百上千个处理器核之间的片上互连通信网络是决定未来CMP性能的关键。传统的金属电互连网络受到物理特性制约,速率、延迟、噪声和功耗水平无法满足未来片上Tb/s的互连需求。光互连作为一种新的互连方式,具有极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性等优点。将微电子和光电子结合起来,在集成电路芯片间乃至芯片内部用光互连网络替代电互连网络构成光电混合集成芯片,构建芯片级多核心间超高速光互连网络,是“后摩尔时代”超大规模集成电路重要的技术发展方向之一。

硅基集成模式复用器件是超高速片上光互连关键器件之一。传统波导模式复用器件受制于“绝热演化”或“相位匹配”等模式耦合机制,器件尺寸大、且已趋近“最小长度极限”,是制约基于规则波导的模式复用器在未来高集成度光互连应用的关键瓶颈。基于多模干涉(MMI)、非对称定向耦合器(ADC)、非对称Y分支传统波导模式复用方案随着模式数目的增加,尺寸往往达到了数百到数千微米,无法满足超高集成度的光子芯片需求。张敏明教授指导的博士研究生常卫杰提出了一种基于亚波长结构的非对称Y分支新型模式复用器。该方案利用亚波长结构的灵活折射率剪裁和在亚波长尺寸调控光场相位的能力,采用反向设计的方法,突破了Y分支波导绝热演化常规基础机理的制约,实现了低辐射损耗、超大分支角的亚波长Y分支新结构,将模式复用器尺寸缩小了两个数量级,在2.4 × 3 μm2和3.6 × 4.8 μm2的尺寸内分别实现了两个和三个模式的复用,也是目前国际报道的最小尺寸,在超大规模集成硅基光互连中有广阔的应用前景。该成果发表于二区期刊Optics Express (vol. 26, no. 7, pp. 8162-8170, 2018),论文标题为“Inverse Design of an Ultra-Compact Mode (De)multiplexer Based on Subwavelength Structure”,(https://doi.org/10.1364/OE.26.008162)。博士研究生常卫杰为第一作者,张敏明教授为通讯作者。

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图1.非对称Y分支模式复用器原理结构图及光场分布

图2.片上模式复用器SEM图片及实验测试图

超低损耗、超小尺寸多模波导的光交叉连接器也是未来超大规模集成片上光互连模式复用系统的关键器件之一。2×2的光交叉连接器是片上光互连模式复用系统中最为常见的器件。传统双模交叉连接波导方案基于多模干涉效应由于两个模式拍长有走离,器件长度是拍长需要数十微米的长度。常卫杰博士研究生提出一种基于亚波长多模干涉结构的双模波导交叉连接器,在4.8 × 4.8 μm2内实现了两个模式的交叉连接波导。该方案提出了利用基于亚波长结构MMI双模交叉连接波导模型,通过剪裁材料折射率创造性地实现了两个模式拍长相等,可大幅减小器件尺寸。此外,我们采用反向设计的方法,可以在亚波长尺寸内灵活调控模式的相位,进一步减小模间相位失配,减小器件插损,实现超小尺寸的双模式交叉连接波导,可满足片上大规模密集模分系统中光互连的需求。该成果发表于一区期刊Photonics Research (vol. 6, no. 7, pp. 660-665, 2018),论文标题为“Ultracompact dual-mode waveguide crossing based on subwavelength multimode-interference couplers”,(https://doi.org/10.1364/PRJ.6.000660)。博士研究生常卫杰为第一作者,张敏明教授为通讯作者。

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图3.亚波长双模波导交叉连接器原理结构图及光场分布

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图4.亚波长双模波导交叉连接器SEM图片及实验测试图

光波长路由交叉连接器是用于实现片上光网络的自动配置、动态重构和故障的自动恢复。基于阵列波导光栅的波长路由型光交叉连接器是一种简单而高效的光开关系统,具有极高的扩展性和开关速度。目前光交叉连接器主要利用平面光波回路技术实现。但是,这种器件的尺寸较大,而且需要使用大量的光纤连接各个子系统。张敏明教授和付松年教授共同指导的硕士研究生潘泽鹏设计并实验验证了硅基单片集成的12 × 12大端口波长路由型光交叉连接器。器件由两级小端口的循环阵列波导光栅和连接光栅的光交叉连接波导网络组成。通过优化波导型交叉连接单元和波导连接策略减小了器件尺寸,并提出基于最小标准差的光交叉连接网络优化算法最小化器件的端到端损耗差异。2018年4月,该研究成果以“On-chip cyclic-AWG-based 12 × 12 silicon wavelength routing switches with minimized port-to-port insertion loss fluctuation”为题,发表在一区期刊Photonics Research上(https://doi.org/10.1364/PRJ.6.000380)。硕士研究生潘泽鹏为第一作者,张敏明教授为通讯作者。

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图5.光交叉连接网络优化图及端到端损耗分布对比图

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图6.单片集成12 × 12波长路由型光交叉连接器显微图片及实验测试图

以上工作由国家自然科学基金面上项目(61775069)资助,并得到下一代互联网接入系统国家工程实验室和武汉光电国家研究中心微纳加工平台的大力支持。

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