面向高数据通量低能耗片上光互连的模分复用基础研究

Replacing electrical interconnects with optical interconnects as on-chip data transmission channels for integrated circuits (ICs), combined with wavelength-division multiplexing (WDM) technology to further increase the interconnect bandwidth, is the viable option to meet the requirement of next generation high density energy-efficient on-chip communication. But the increase in the number of light sources will result in the rising of system power consumption and heating, and therefore we need to find a new technology to further extend the data channel under the condition of a limited number of light sources. In this project, we will use the mode-division multiplexing (MDM) technology to achieve multi-channel data transmission with single wavelength, which can expand the data capacity of a single waveguide while reducing energy consumption. We will investigate the electrical and thermal controlled multi-transverse-mode microring resonator, multimode waveguide bending, crossing and coupler; and then further develop the MDM-WDM integrated device to achieve mode and wavelength filtering using single device based on the multi-transverse-mode microring resonators. Based on the above research, we will study the multi-transverse mode microring based dynamic devices, explore the new mechanism and phenomena induced by the mode coupling and field distribution, and demonstrate the dynamic MDM-WDM integrated device for future high density energy-efficient on-chip optical interconnects.

利用光互连取代电互连作为集成电路芯片上数据传输的通道，同时结合波分复用技术进一步提高互连带宽，是满足下一代芯片低能耗和高数据传输密度片上通信的可行方案。但波分复用所需片上光源数目的增加会带来系统能耗和发热的上升，因此需要寻找新技术在有限的光源数目条件下进一步扩展数据通道。在本项目中我们将在波分复用的基础之上研究基于模式空间分布复用的模分复用技术，实现单波长下的多通道数据传输，在扩大波导数据容量的同时降低单位bit数据能耗。具体的我们将研究多模波导的弯曲和交叉连接，电和热调控的多横模微环谐振腔及其和多模波导的耦合等，进而研究多横模微环结构的模分复用-波分复用集成器件，同时实现模式和波长滤波功能。基于以上研究探讨多横模微环器件的动态特性，深入研究横模间的耦合及模场的分布和转换导致的新的调控机理和现象，实现动态可调模分复用-波分复用集成器件以应用于未来高数据通量低能耗的片上光互连。

本项目瞄准模式复用光子器件在光互连中的应用，利用回音壁模式的光学微谐振腔器件小体积、高品因子的特点，通过横模控制开展低能耗、高带宽模分复用解复用的机理及原型器件研究。取得的主要成果如下：通过数值模拟分析了跑道型微环谐振腔以及波导直接耦合器的模式选择作用，提出利用氮化硅材料以实现硅基宽波长范围可用于三维光子集成的模分复用器件；实验制备了基于微环谐振腔和直接波导耦合器的模分复用集成器件，通过热调改变微环的谐振波长平衡加工误差造成的各微环波长不匹配，实现了工作模式数为3的模式复用集成器件；针对光学微腔在模式复用光互连和光子集成中的应用，开展光学微腔的横模控制研究，提出并制备了双横模工作的微腔结构，验证了基于光外差技术的微波到亚太赫兹波产生；提出正方形-法布里珀罗耦合腔激光器，通过模式耦合实现耦合腔的模式控制，研制出多功能的耦合腔光子器件；提出了分布式光栅的微环谐振腔结构，以利用光栅的周期散射实现其中回音壁模式的控制。本项目研究中共发表SCI检索论文10篇，国际会议论文5篇，培养博士研究生7名，其中3名获得中科院院长优秀奖，1名获得中科院优秀博士论文，申请者入选了中科院青年创新促进会会员。