[論文レビュー] Integrated switch for simultaneous mode-division multiplexing (MDM) and wavelength-division multiplexing (WDM)

Brian Stern, Xiaoliang Zhu+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Optical Network Technologies参考文献 55被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、単一モード部品を用いて空間モードを個別にルーティングすることにより、同時にモード分割多重（MDM）と波長分割多重（WDM）を実現するシリコンチップ上に統合されたフォトリックスイッチを提案している。4本の10 Gbpsチャネルを同時にルーティングする際、クロストークは< -20 dB、誤りビットレートは10⁻⁹未満、パワーペナルティは2.4 dB未塔を記録し、高帯域幅のオンチップ光ネットワークにおけるスケーラブルなソリューションを実証している。

ABSTRACT

Leveraging the spatial modes of multimode waveguides using mode-division multiplexing (MDM) on an integrated photonic chip allows unprecedented scaling of bandwidth density for on-chip communication. Switching channels between waveguides is critical for future scalable optical networks, but its implementation in multimode waveguides must address how to simultaneously control modes with vastly different optical properties. Here we present a platform for switching signals between multimode waveguides based on individually processing the spatial mode channels using single-mode elements. Using this wavelength-division multiplexing (WDM) compatible platform, we demonstrate a 1x2 multimode switch for a silicon chip which routes four data channels with low (

研究の動機と目的

• マルチモードウェーブガイドにおける複数の空間モードをルーティングする際の信号整合性を維持する課題に対処すること。
• 単一のフォトリックスイッチ上でモード分割多重（MDM）と波長分割多重（WDM）を同時に実行できること。
• 個々のモード処理を用いたスケーラブルで低クロストークのスイッチングアーキテクチャをオンチップ光インターフェースに設計すること。
• 1つの統合デバイス内で複数のチャネルにわたって高速、低消費電力、低誤りレートの動作を実現すること。

提案手法

• スイッチは、各空間モードを単一モードウェーブガイド部品を介して個別に処理することで、選択的ルーティングを可能にするプラットフォームを採用している。
• 異なる空間モードに異なる波長を割り当てることで、波長分割多重（WDM）互換性を活用し、並列伝送を実現している。
• 1x2スイッチ構成により、4つのデータチャネル（1本のウェーブガイドあたり2モード、1モードあたり2波長）を統合熱光位相シフタを用いてルーティングしている。
• モード固有のスイッチングを低クロストークで制御するために、マハーズェンダ干渉計ベースのアーキテクチャを採用している。
• 各チャネルは別々にルーティングされ、出力で合成されるため、モード間の干渉が最小限に抑えられる。
• システムはシリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォームにフォトリックスイッチをプロセスしており、CMOS互換性と高密度フォトリック回路を実現している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチモードウェーブガイドシステムにおいて、クロストークが低い状態で、1つの統合スイッチが複数の空間モードと波長を同時に管理可能か？
• RQ2 マルチモードウェーブガイド内の個々の空間モードを信号品質を保ちながら選択的にルーティングする方法は何か？
• RQ3 10 Gbpsで4つのチャネルを同時にルーティングした際のクロストークと誤りビットレートの性能はどのようになるか？
• RQ4 単一チャネル動作と比較して、すべてのチャネルがアクティブな状態で導入されるパワーぺナルティはどの程度か？
• RQ5 スケーラブルなオンチップフォトリックスイッチングネットワークにおいて、低誤りレートと高帯域幅効率を維持できるか？

主な発見

• 4つのチャネルすべてでクロストークが-20 dB未満に抑えられており、空間モード間の効果的な分離が確認された。
• 10 Gbpsで個別にルーティングした際、すべてのチャネルで誤りビットレートが10⁻⁹未満であり、高い信号整合性が確認された。
• 各チャネルを別々にルーティングした際のパワーぺナルティは1.4 dB未塔であり、信号劣化が小さいことが示された。
• 4つのチャネルを同時にルーティングした際、追加のパワーぺナルティは2.4 dB未塔であり、多チャネル動作の優れた耐久性が裏付けられた。
• フルロード状態でもクロストークと誤り性能が低く維持されたことから、オンチップ光スイッチングにおけるスケーラビリティが検証された。
• プラットフォームは同時にMDMとWDMを実現でき、高帯域幅でエネルギー効率の高いオンチップ光インターフェースへの道筋を示している。