Dispersion-Engineered Terahertz Silicon Interconnects Enabling Terabit-Scale Data Links

技術概要：分散制御型テラヘルツシリコン相互接続によるテラビット規模データリンクの実現

問題定義
人工知能（AI）およびデータ中心型コンピューティングの指数関数的成長は、データトラフィックをエクサバイト規模へと駆動し、データセンターおよび高性能コンピューティング（HPC）インフラを物理的限界に追いやっている。光相互接続は長距離通信において高い容量を提供するが、複雑な電気光学トランシーバへの依存により、短距離・チップスケールリンクにおいて著しいエネルギー過負荷とスケーラビリティの課題をもたらす。一方、従来の金属製テラヘルツ（THz）相互接続は、帯域幅 - 距離積の低さに制約されている。THzシリコン導波路は、低損失伝搬と高モード閉じ込めを備えた有望なCMOS互換代替手段を提供するが、既存のプラットフォームは重大な限界に直面している：それらは往々にして単一のTHz帯域に制限され、構造的周期性に起因する高周波数でのブラッグ誘起停止帯に悩まされ、マルチバンド伝送、双偏波、低群速度分散（GVD）、およびテラビット/秒スループットを同時に支えることに苦慮している。

手法
これらの制約に対処するため、著者らは高抵抗フロートゾーン型真性シリコン（HR-Si）上に作製された、CMOS互換性を持つセンチメートルスケールの被覆なしシリコン導波路プラットフォームを開発した。核心的な革新は、ブラッグ散乱を抑制する分散制御型・有効媒質支持設計にある。

• 構造: 導波路は、中央に幅 $w = 0.26$ mm の被覆なしシリコンコアを有し、円形および半円形の貫通穴の周期的配列によって形成された有効媒質クラッドによって挟まれている。コアに隣接する半円形幾何学は、ブラッグ散乱を抑制し、伝送スペクトルを平坦化し、GVDを最小化するために特別に設計されている。
• 作製: デバイスは、500 $\mu$m HR-Siウェハ上の深部反応性イオンエッチング（DRIE）を用いて作製され、その後220 $\mu$mまで裏面研磨された。このプロセスは標準的な単一マスクエッチングを採用しており、CMOS互換性を確保している。
• 特性評価: チームは、直線導波路と90°および180°の曲がり導波路（500 GHzにおけるサブ波長半径 $R \approx 0.83\lambda$）を体系的に評価した。WR-3.4（220–330 GHz）およびWR-2.2（330–500 GHz）帯域において、横電波（TE）および横磁波（TM）偏波の両方に対して、伝送（$S_{21}$）、群遅延、挿入損失、経路損失、および曲げ損失を測定した。
• データ伝送: チップ内データリンクを実証するために、ハイブリッド光子送信機（Tx）と電子受信機（Rx）のアーキテクチャが採用された。システムは、複数の非同時励起チャネルにわたって高次複素変調フォーマット（QAM-16、32、64、およびAPSK-16）を利用した。

主要な結果
本研究は、以下の具体的な指標を有するテラビット規模の集積スループットを達成する初のオンチップTHz通信リンクを実証する：

• 帯域幅と伝送: このプラットフォームは、THzシリコン導波路として報告された中で最大の280 GHz（220–500 GHz）の広帯域3-dB帯域幅をサポートする。この設計はブラッグ誘起停止帯を成功裏に抑制し、WR-3.4およびWR-2.2の両帯域にわたって平坦な伝送と低リップル群遅延を実現している。
• 損失特性:
  • 挿入損失: 平均結合損失はTEで0.21 dB、TMで0.48 dB。
  • 経路損失: 平均値はTEで0.22 dB/cm、TMで0.19 dB/cmであり、最小値は0.016 dB/cmまで低い。
  • 曲げ損失: 90°曲がりでは1ターンあたり平均0.35–0.37 dB、180°曲がりでは1ターンあたり平均0.39–0.56 dBの損失であり、 tight なサブ波長曲げがわずかなペナルティしか課さないことを確認した。
• 分散: 群速度分散（GVD）は、直線導波路で0.18 ps²/mm、90°曲がり導波路で0.15 ps²/mmまで最小化され、全帯域にわたってパルス広がりおよびシンボル間干渉を効果的に低減した。
• データレート:
  • 直線導波路（WB1）: 14チャネルを用いて1.004 Tbpsの集積データレートを達成。
  • 90°曲がり導波路（90B1）: 12チャネルを用いて0.895 Tbpsの集積データレートを達成。
  • 変調: QAM-16、32、64、およびAPSK-16を用いた成功した伝送が確認され、誤りベクトル大きさ（EVM）測定により、400 GHz以上の周波数においても信号劣化が最小限であることを確認した。

意義と主張
著者らは、この研究が次世代AIシステムおよび新興の6G技術の帯域幅およびエネルギーのボトルネックに直接対処する、スケーラブルでエネルギー効率の高いマルチバンドTHz相互接続プラットフォームを確立すると主張している。ブラッグ停止帯を抑制し分散を制御することにより、このプラットフォームはオンチップ電子とオフチップ光学の間の性能ギャップを埋める、高密度なオンチップおよびチップ間通信ファブリックを可能にする。CMOS互換性と低損失を維持しつつ、直線および曲がり構成の両方でテラビット規模のスループットを実証することは、高スペクトル効率とチャネル数を備えた統合電子 - 光子THzシステムへの重要な一歩を表している。本論文は、ブラッグ停止帯を抑制し、低損失かつ低GVDで複数のTHz帯域をサポートし、直線および曲がり幾何学の両方でマルチキャリアを用いてニアテラビットデータ伝送を達成するTHz導波路を同時に実証した先行研究は存在しないと主張している。