Návrh a analýza křemíkových fotonických mikrokruhových rezonátorů pro optické zpracování signálu v aplikacích pro umělou inteligenci (AI - Artificial Intelligence) a vysoce výkonnou výpočetní techniku (HPC - High Performance Computing)

Abstract

Pokroky v oblasti umělé inteligence (AI) a aplikací využívajících vysokovýkonné výpočty (HPC) výrazně závisejí na využití fotonických integrovaných obvodů, konkrétně komponent optických propojení s vysokou kapacitou, spolehlivostí a nízkými náklady, vzhledem k jejich energetické účinnosti a přenosové kapacitě. Systémy optických propojení na bázi PIC se opírají o multiplexování vlnových délek (WDM), které umožňuje rozsáhlý paralelismus díky velkému množství diskrétních optických nosných frekvencí nebo frekvenčních hřebenů. Jednou z nejslibnějších a nejvýznamnějších metod generování optických frekvenčních hřebenů, kterou lze využít ve vysokovýkonných výpočetních systémech a datových centrech a která je vhodná pro integraci na čipu, je generace optických Kerrových frekvenčních hřebenů na bázi mikrorezonátorů (microcomb). Tato diplomová práce se zaměřuje na návrh a simulaci optického mikrokruhového rezonátoru pro generaci Kerrova hřebene, který pracuje na vlnové délce 1310 nm a vykazuje volný spektrální rozsah 100 GHz. Na základě výrobního procesu LIGENTEC AN800 MWP byl návrh vlnovodu optimalizován tak, aby vykazoval dostatečnou anomální disperzi. Struktura kruhového rezonátoru byla navržena tak, aby zajišťovala režim jednovidového provozu, snižovala rozptylové ztráty a dosáhla extrémně vysoké hodnoty činitele jakosti vyšší než > 10^6. Hlavní návrhové parametry byly optimalizovány s cílem udržet generaci Kerrova frekvenčního hřebene v mikrokruhovém rezonátoru. Návrhové parametry byly získány a ověřeny pomocí počítačových simulací, včetně analýzy vlastních módů, elektromagnetických simulací a simulací fotonických integrovaných obvodů. Navržený mikrokruhový rezonátor vykazuje nelineární chování ve formě generace Kerrova frekvenčního hřebene s účinností konverze výkonu pumpy přibližně ~ 1%. Generace Kerrova hřebene byla potvrzena sadou obecných a specifických nelineárních simulací.

Advancements in AI and HPC-related applications heavily rely on the photonic integrated circuit utilization, specifically high-capacity, reliable, and low-cost optical interconnect components, given their power efficiency and capacity. PIC interconnect systems would rely on wavelength-division multiplexing (WDM) that induces massive parallelism based on a large number of discrete optical carriers or frequency combs. One of the more promising and prominent optical frequency comb generation methods that can be used in high-performance computing and data centers and is suitable for on-chip integration is microresonator-based optical Kerr frequency comb (microcomb) generation. This thesis focuses on the design and simulation of an optical microring resonator for the Kerr comb generation, which operates at 1310 nm wavelength and exhibits a free spectral range of 100 GHz. Based on the LIGENTEC AN800 MWP process, the waveguide design is optimized to exhibit sufficient anomalous dispersion. The ring resonator structure is designed in order to maintain a single-mode operation regime, reduce scattering losses, and achieve an ultra-high quality factor value of > 10^6. The main design parameters are optimized with the goal of sustaining Kerr frequency comb generation in the microring resonator. Design parameters are obtained and validated with the help of computer-based simulations, including eigenmode analysis, full-wave electromagnetic, and photonic integrated circuit simulations. The designed microring resonator exhibits nonlinear behavior in the form of Kerr frequency comb generation with the pump-power conversion efficiency of ~ 1%. Kerr comb generation is confirmed via a set of generalized and specified nonlinear simulations.