[論文レビュー] Chip-to-chip optical multimode communication with universal mode processors

Bo Wu, Wenkai Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2023

Optical Network TechnologiesEngineering参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、プログラマブルな4×4マホイザー干渉計（MZI）ネットワークに基づく汎用モードプロセッサを用いた、再構成可能で知的なチップ間光マルチモード通信システムを提案する。このシステムは、準線形偏光（LP）モードおよび角運動量（OAM）モードの動的生成と分類を可能とし、クロストークおよび環境的擾乱に対して高い耐性を示しながら25 Gbit/sの伝送を達成した。これにより、スケーラブルなマルチモード光リンクにおけるプログラマブルで汎用的なモード制御の実現が示された。

ABSTRACT

The increasing amount of data exchange requires higher-capacity optical communication links. Mode division multiplexing (MDM) is considered as a promising technology to support the higher data throughput. In an MDM system, the mode generator and sorter are the backbone. However, most of the current schemes lack the programmability and universality, which makes the MDM link susceptible to the mode crosstalk and environmental disturbances. In this paper, we propose an intelligent multimode optical communication link using universal mode processing (generation and sorting) chips. The mode processor consists of a programmable 4*4 Mach Zehnder interferometer (MZI) network and can be intelligently configured to generate or sort both quasi linearly polarized (LP) modes and orbital angular momentum (OAM) modes in any desired routing state. We experimentally establish a chip-to-chip MDM communication system. The mode basis can be freely switched between four LP modes and four OAM modes. We also demonstrate the multimode optical communication capability at a data rate of 25 Gbit/s. The proposed scheme shows significant advantages in terms of universality, intelligence, programmability and resistance to mode crosstalk, environmental disturbances and fabrication errors, demonstrating that the MZI-based reconfigurable mode processor chip has great potential in long-distance chip-to-chip multimode optical communication systems.

研究の動機と目的

• チップ間光通信におけるモード多重伝送（MDM）システムにおけるプログラマビリティと汎用性の欠如に対処すること。
• マルチモード光リンクにおけるモードクロストーク、環境変動、プロセス誤差への感受性を低減すること。
• LPモードおよびOAMモードを動的に生成・分類可能な再構成可能で知的なモードプロセッサを開発すること。
• 高いデータレートと耐障害性を備えた完全統合型チップベースのMDM通信システムを実証すること。

提案手法

• モードプロセッサは、位相制御可能で可変結合器を備えたプログラマブルな4×4マホイザー干渉計（MZI）ネットワークとして実装された。
• ソフトウェアによる設定により、MZIネットワークは任意の入力モードを任意の目的の出力モードにルーティング可能であり、汎用モード処理を実現した。
• MZIの位相設定を再構成することで、4つのLPモードと4つのOAMモードの間での切り替えが可能となった。
• モードプロセッサはチップ間光リンクに統合され、送信側および受信側の両端でオンチップ上でモードの生成と分類が行われた。
• デジタル制御インターフェースを用いて、MZIネットワークを異なるモード基底やルーティング状態にリアルタイムで再構成可能であった。
• 実験的設定により、モード遷移中にクロストークが低く抑えられ、信号整合性が維持されていることが検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの再構成可能なMZIベースのプロセッサが、プログラマブルな方法でLPモードおよびOAMモードの両方を生成・分類できるか。
• RQ2 異なるモード基底に切り替える際、クロストークおよび信号整合性の観点でシステムはどのように性能を示すか。
• RQ3 プロセッサがモード忠実度に与える環境的擾乱およびプロセス誤差の影響をどの程度軽減できるか。
• RQ4 チップ間マルチモード光リンクにおいて、汎用モード処理を用いた場合に達成可能なデータレートは何か。
• RQ5 システムのプログラマビリティは、将来の光インターフェースにおけるスケーラビリティと適応性をどのように向上させるか。

主な発見

• 本システムは、25 Gbit/sの低誤りビットレートを達成するチップ間マルチモード光通信を成功裏に実証した。
• 汎用モードプロセッサにより、ハードウェアの再構成なしに4つのLPモードと4つのOAMモードの間での動的切り替えが可能となった。
• モード遷移中でも、モードクロストークに対して高い耐性を示し、信号劣化が最小限に抑えられた。
• MZIベースのプロセッサは、環境的およびプロセス由来の摂動下でも低クロストークと高い信号整合性を維持した。
• MZIネットワークのプログラマブルな性質により、モードルーティングのリアルタイム再構成が可能となり、柔軟で知的なマルチモード運用が実現した。
• 結果から、再構成可能なMZIチップをスケーラブルで高容量の光インターフェースの汎用基盤として使用可能であることが確認された。