[论文解读] Inverse-designed multi-dimensional silicon photonic transmitters

Ki Youl Yang, Alexander D. White+34 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于逆向设计的多维硅基光子发射器，通过在单片上结合波分复用（WDM）与模式分复用（MDM），实现了高带宽光互连。利用光子逆向设计，作者开发出一种超宽带、低串扰的全无源MDM复用器，可在四个空间模式上支持13个WDM信道，仅使用320 GHz的谱带宽即实现1.28-Tb/s的聚合数据速率，展示了误码率零错误的传输性能，并为未来片上及芯片间通信提供了可扩展、正交的复用方案。

ABSTRACT

Modern microelectronic processors have migrated towards parallel computing architectures with many-core processors. However, such expansion comes with diminishing returns exacted by the high cost of data movement between individual processors. The use of optical interconnects has burgeoned as a promising technology that can address the limits of this data transfer. While recent pushes to enhance optical communication have focused on developing wavelength-division multiplexing technology, this approach will eventually saturate the usable bandwidth, and new dimensions of data transfer will be paramount to fulfill the ever-growing need for speed. Here we demonstrate an integrated intra- and inter-chip multi-dimensional communication scheme enabled by photonic inverse design. Using inverse-designed mode-division multiplexers, we combine wavelength- and mode- multiplexing and send massively parallel data through nano-photonic waveguides and optical fibres. Crucially, as we take advantage of an orthogonal optical basis, our approach is inherently scalable to a multiplicative enhancement over the current state of the art.

研究动机与目标

• 解决多核处理器互连中因电数据传输导致的带宽和能效限制问题。
• 突破传统波分复用（WDM）在光互连中面临的谱容量极限。
• 通过模式分复用（MDM）利用空间模式作为正交通信信道，实现可扩展的高容量光互连。
• 利用光子逆向设计开发一种集成化、全无源、超宽带的MDM复用器，以最小化串扰和插入损耗。
• 在硅基光子平台上，基于15-THz的谱宽范围，通过WDM与MDM结合，实现误码率零错误的海量并行数据传输。

提出的方法

• 采用光子逆向设计优化多模复用器（MDM），使其在C波段（1525–1560 nm）内实现超宽带、低串扰运行。
• 使用孤子微梳激光器在3.6 THz的谱宽内生成13个等间隔、高相干性的波长信道，信道间隔为300 GHz。
• 将逆向设计的MDM复用器与环形调制器及Si/Ge光电探测器集成于单片硅基芯片上，实现片上及芯片间传输。
• 利用带有本振的相干接收机检测并解码52通道WDM-MDM信号（13个波长×4个模式），测量误码率（BER）。
• 利用连续波（CW）激光器和红外成像技术表征模式相关损耗和串扰，以验证模式完整性和耦合效率。
• 应用逆向设计构建紧凑、多功能的光子器件，如多模分路器和交叉连接，实现复杂多模电路的集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子逆向设计能否实现适用于硅光子学中多波长运行的超宽带、低串扰、全无源MDM复用器？
• RQ2 通过逆向设计组件实现的WDM与MDM结合，能在多大程度上突破传统WDM的聚合数据速率极限？
• RQ3 在谱占用和串扰方面，所提出的多维复用方案在可扩展性和谱效率方面表现如何？
• RQ4 在真实条件下，集成的WDM-MDM发射器在误码率（BER）和数据速率方面的性能如何？
• RQ5 逆向设计的组件能否以极低损耗和串扰支持复杂多模电路功能，如模式路由与分路？

主要发现

• 逆向设计的MDM复用器实测插入损耗为-0.23至-0.47 dB，12个信道的串扰范围为-53 dB至-25 dB。
• 系统在320 GHz的谱带宽内实现了1.28-Tb/s的误码率零错误传输，谱效率达到4 Tb/s/Hz。
• MDM复用器可在四个空间模式上支持13个WDM信道，共52个总数据信道，所有模式的3-dB带宽为60 nm。
• 模式相关损耗测量值约为5 dB，主要源于光纤耦合及芯片与光纤对准偏差。
• 相干接收机对全部64个信道（含背对背）的BER测量值均低于1e-12，证实了无误码运行。
• 逆向设计的光束发射器实现了芯片间的无线自由空间MDM传输，接收端可测量到清晰的模式分布，且串扰较低。