Towards Smart THz Integration Leveraging Silicon Passive Functions
Vers une intégration intelligente THz exploitant les fonctions passives du silicium
Résumé
The realization of integrated, low-loss, and efficient systems for data-intensive applications such as augmented and virtual reality requires on-chip integrated photonic circuits, which have great potential for advanced information and communication technologies, including 6G wireless networks and intra- and inter-chip communication systems. A promising platform for achieving this revolution is Valley Photonic Crystals (VPCs). VPCs enable the construction of topological interfaces, which facilitate the propagation of light with minimal losses and backscattering through unidirectional edge modes. Interfacial topological interfaces and the degree of topological protection experienced by these robust edge modes is a relatively new perspective worth exploring. The ever-increasing demand for faster data rates in data-intensive applications like augmented and virtual reality necessitates the exploration of frequencies beyond the conventional 300 GHz band. Moreover, the 300 GHz band offers approximately 120 GHz bandwidth, making it difficult to pave the way towards Tbit/s. Due to the large bandwidth available around the 650 GHz atmospheric window, the 600~700 GHz band has garnered significant attention. In our thesis, we successfully designed simulated fabricated and experimentally demonstrated several THz passive functions like waveguides, and bent waveguides, Filters, resonators for the 600GHz frequency range.Using the different designs in resonators by considering different interfacial designs and suitable air-hole geometries, we introduce variations in topological protection for passive functional devices. We show that the partial breakup of topological protection can be an asset for the design of on-chip passive functionalities. We focus on bearded and zigzag junctions and appropriate air hole geometries for VPC unit cells. To experimentally verify the scalability of topological protection, we demonstrate the performance of terahertz (THz) topological ring resonators and THz double cavity resonators designed for operation in the 600 GHz frequency region. This demonstration showcases how the scaling of topological protection can be achieved by utilizing a combination of air hole geometry and interfacial degrees of freedom, providing functional tuning of devices at the chip level.We also proposed in this thesis topological filters for the 600 GHz band. After design and fabrication on SOI, the filter was fully characterized and validated inside a 600 GHz communication system. We experimentally show that up to 3x40 Gbit/s can be manipulated in the proposed structure. The use of a topology approach for the 600 GHz band seems to be promising for future 600 GHz band communication systems.This thesis makes a significant contribution by showcasing multiple demonstrations that promise smart integration of terahertz (THz) technology. By leveraging silicon passive functions, the thesis contributed towards developing highly integrated THz photonic circuits tailored for 6G technologies and beyond.
La réalisation de systèmes intégrés, à faible perte et efficaces pour des applications consommatrices en données telles que la réalité augmentée et virtuelle, nécessite des circuits photoniques intégrés sur puce, qui présentent un grand potentiel pour les technologies de l'information et de la communication avancées, y compris les réseaux sans fil 6G et les systèmes de communication intra et inter-puces. Une plateforme prometteuse pour réaliser ces systèmes intégrés est celle des guides topologiques, ou guides « VPCs », pour Valley Photonics Crystal. Les VPCs permettent la construction d'interfaces topologiques, qui permettent la propagation des ondes E.M. avec des pertes minimales et une rétrodiffusion réduite grâce à des modes de bord unidirectionnels. Les interfaces topologiques interfaciales et le degré de protection topologique expérimenté par ces modes de bord robustes constituent une perspective relativement nouvelle qui mérite d'être explorée.De plus, la demande croissante de débits de données pour des applications telles que la réalité augmentée et virtuelle nécessite l'exploration de fréquences au-delà de la bande conventionnelle des 300 GHz. De plus, la bande des 300 GHz qui offre une largeur de bande d'environ 120 GHz, atteindre le Tbit/s est difficile sauf à recourir à des modulations très complexes. En raison de la largeur de bande importante disponible autour de la fenêtre atmosphérique des 650 GHz, la bande des 600~700 GHz a attiré une attention significative. Dans ces travaux, sont conçus, fabriqués et caractérisés expérimentalement des guides VPC qui démontrent plusieurs fonctions passives THz telles que des guides d'ondes et des guides d'ondes courbés, des filtres et des résonateurs pour la plage de fréquences de 600 GHz.En utilisant différents designs de résonateurs (variations des géométries de trous d'air appropriées), nous introduisons des variations dans la protection topologique pour les dispositifs fonctionnels passifs. Nous montrons que la rupture partielle de la protection topologique peut être un atout pour la conception de fonctionnalités passives sur puce. Nous nous concentrons sur différentes géométries de trous d'air appropriées pour les cellules unitaires VPC. Pour vérifier expérimentalement la mise à l'échelle de la protection topologique, nous démontrons les performances de résonateurs topologiques térahertz (THz) en anneau et de résonateurs à double cavité THz conçus pour fonctionner à 600 GHz. Cette démonstration montre comment la mise à l'échelle de la protection topologique peut être réalisée en utilisant une combinaison de géométrie de trous d'air et de degrés de liberté interfaciaux, offrant un réglage fonctionnel des dispositifs au niveau de la puce.Nous avons également proposé dans ces travaux des filtres topologiques pour la bande des 600 GHz. Après la conception et la fabrication sur SOI, le filtre a été entièrement caractérisé et validé à l'intérieur d'un système de communication dans la bande 600 GHz. Nous montrons expérimentalement que jusqu'à 3x40 Gbit/s peuvent être manipulés dans la structure proposée. L'utilisation d'une approche topologique pour la bande des 600 GHz semble prometteuse pour les futurs systèmes de communication de la bande des 600 GHz.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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