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

Technische Samenvatting: Gedisperseerde Terahertz-Siliciuminterconnects voor Terabit-Schaal Datakoppelingen

Probleemstelling
De exponentiële groei van kunstmatige intelligentie (AI) en datacentrisch rekenen duwt dataverkeer naar exabyteschalen, waardoor datacenter- en high-performance computing (HPC)-infrastructuren hun fysieke limieten bereiken. Hoewel optische interconnects hoge capaciteit bieden voor communicatie over lange afstanden, introduceert hun afhankelijkheid van complexe elektro-optische transceivers aanzienlijke energiekosten en schaalbaarheidsuitdagingen voor korte afstanden en koppelingen op chipschaal. Daarentegen worden conventionele metalen Terahertz (THz)-interconnects beperkt door lage bandbreedte-afstandproducten. Hoewel THz-siliciumgolflengtes een veelbelovend CMOS-compatibel alternatief bieden met verliesarme voortplanting en hoge modusconfinement, staan bestaande platforms voor kritieke beperkingen: ze zijn vaak beperkt tot enkele THz-banden, lijden onder door Bragg veroorzaakte stopbanden bij hoge frequenties als gevolg van structurele periodiciteit, en hebben moeite om gelijktijdig multi-bandtransmissie, dual-polarisatie, lage groepsnelheidsdispersie (GVD) en een doorvoer van terabit per seconde te ondersteunen.

Methodologie
Om deze beperkingen aan te pakken, ontwikkelden de auteurs een CMOS-compatibel, centimeter-groot, onbekleed siliciumgolflengteplatform vervaardigd op hoogweerstandig float-zone intrinsiek silicium (HR-Si). De kerninnovatie ligt in een gedispergeerd, effectief-middengedragen ontwerp dat Bragg-verstrooiing onderdrukt.

• Structuur: De golflengte heeft een centraal onbekleed siliciumkern (breedte $w = 0,26$ mm) geflankeerd door effectief-middelbekledingen gevormd door periodieke arrays van ronde en halfronde doorboorhopen. De halfronde geometrie naast de kern is specifiek ontworpen om Bragg-verstrooiing te onderdrukken, waardoor transmissiespectra worden afgevlakt en GVD wordt geminimaliseerd.
• Fabricage: De apparaten werden vervaardigd met diepe reactieve ionenetching (DRIE) op 500 $\mu$m HR-Si-wafers, gevolgd door achtergrinding tot 220 $\mu$m. Het proces maakt gebruik van standaard single-masker-etching, wat CMOS-compatibiliteit garandeert.
• Karakterisering: Het team evalueerde systematisch rechte golflengtes en golflengtes met 90°- en 180°-bochten (met subgolfstraal $R \approx 0,83\lambda$ bij 500 GHz). Ze maten transmissie ($S_{21}$), groepvertraging, invoegverlies, padverlies en bochtverlies over de WR-3.4 (220–330 GHz) en WR-2.2 (330–500 GHz) banden voor zowel transversale elektrische (TE) als transversale magnetische (TM) polarisaties.
• Datatransmissie: Een hybride fotonische zender (Tx) en elektronische ontvanger (Rx) architectuur werd ingezet om on-chip datakoppelingen te demonstreren. Het systeem gebruikte hoogwaardige complexe modulatieformaten (QAM-16, 32, 64 en APSK-16) over meerdere niet-gelijktijdig opgewekte kanalen.

Belangrijkste Resultaten
De studie demonstreert de eerste on-chip THz-communicatielink die een aggregate doorvoer op terabitschaal bereikt met de volgende specifieke metrics:

• Bandbreedte en Transmissie: Het platform ondersteunt een breedbandige 3-dB bandbreedte van 280 GHz (220–500 GHz), de grootste gerapporteerde voor THz-siliciumgolflengtes. Het ontwerp onderdrukt succesvol door Bragg veroorzaakte stopbanden, wat resulteert in vlakke transmissie en een groepvertraging met lage rimpeling over zowel de WR-3.4 als WR-2.2 banden.
• Verlieskarakteristieken:
  • Invoegverlies: Gemiddelde koppelverliezen van 0,21 dB (TE) en 0,48 dB (TM).
  • Padverlies: Gemiddelde waarden van 0,22 dB/cm (TE) en 0,19 dB/cm (TM), met minimumwaarden zo laag als 0,016 dB/cm.
  • Bochtverlies: Gemiddelde verliezen van 0,35–0,37 dB per slag voor 90°-bochten en 0,39–0,56 dB per slag voor 180°-bochten, wat bevestigt dat strakke subgolfbochten slechts een bescheiden straf opleveren.
• Dispersie: De groepsnelheidsdispersie (GVD) werd geminimaliseerd tot 0,18 ps²/mm voor rechte golflengtes en 0,15 ps²/mm voor 90°-gebogen golflengtes over de volledige band, waardoor pulsverbreding en intersymbolinterferentie effectief worden verminderd.
• Datatransmissiesnelheden:
  • Rechte Golflengte (WB1): Bereikte een aggregate datasnelheid van 1,004 Tbps met 14 kanalen.
  • 90°-Gebogen Golflengte (90B1): Bereikte een aggregate datasnelheid van 0,895 Tbps met 12 kanalen.
  • Modulatie: Succesvolle transmissie werd geverifieerd met QAM-16, 32, 64 en APSK-16, waarbij Error Vector Magnitude (EVM)-metingen minimale signaalaantasting bevestigden, zelfs bij frequenties boven de 400 GHz.

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat dit werk een schaalbaar, energie-efficiënt platform vestigt voor multi-band THz-interconnects dat direct de bandbreedte- en energieknelpunten van AI-systemen van de volgende generatie en opkomende 6G-technologieën aanpakt. Door Bragg-stopbanden te onderdrukken en dispersie te engineeren, maakt het platform hoge-dichtheid on-chip en chip-tot-chip communicatie-weefsels mogelijk die de prestatiekloof tussen on-chip elektronica en off-chip optica overbruggen. De demonstratie van terabitschaal doorvoer in zowel rechte als gebogen configuraties, terwijl CMOS-compatibiliteit en laag verlies worden behouden, vormt een belangrijke stap richting geïntegreerde elektronisch-fotonische THz-systemen met verbeterde spectrale efficiëntie en kanaalaantallen. Het artikel stelt dat er geen eerdere werkzaamheden zijn die gelijktijdig THz-golflengtes hebben aangetoond die Bragg-stopbanden onderdrukken, meerdere THz-banden ondersteunen met laag verlies en lage GVD, en bijna-terabit datatransmissie bereiken met meerdere dragers in zowel rechte als gebogen geometrieën.