[論文レビュー] Inverse-designed multi-dimensional silicon photonic transmitters

Ki Youl Yang, Alexander D. White+34 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、1つのチップ上に波長分割多重（WDM）とモード分割多重（MDM）を組み合わせることで、高帯域幅の光インターコネクトを実現する、逆設計された多次元シリコンフォトニクス送信機を提案する。フォトニクスの逆設計を用いて、Cバンド（1525–1560 nm）で広帯域かつ低串撓性の全受動的MDM多重器を設計し、13のWDMチャネルを4つの空間モードでサポートする。これにより、わずか320 GHzのスペクトル帯域幅で合計1.28-Tb/sのデータレートを達成し、誤りなしの伝送を実証した。これは、将来のオンチップおよびチップ間通信に向けたスケーラブルで直交的な多重化の可能性を示している。

ABSTRACT

Modern microelectronic processors have migrated towards parallel computing architectures with many-core processors. However, such expansion comes with diminishing returns exacted by the high cost of data movement between individual processors. The use of optical interconnects has burgeoned as a promising technology that can address the limits of this data transfer. While recent pushes to enhance optical communication have focused on developing wavelength-division multiplexing technology, this approach will eventually saturate the usable bandwidth, and new dimensions of data transfer will be paramount to fulfill the ever-growing need for speed. Here we demonstrate an integrated intra- and inter-chip multi-dimensional communication scheme enabled by photonic inverse design. Using inverse-designed mode-division multiplexers, we combine wavelength- and mode- multiplexing and send massively parallel data through nano-photonic waveguides and optical fibres. Crucially, as we take advantage of an orthogonal optical basis, our approach is inherently scalable to a multiplicative enhancement over the current state of the art.

研究の動機と目的

• 電気的データ移動に起因するマルチコアプロセッサのインターコネクトにおける帯域幅およびエネルギー効率の制限を解消する。
• 従来の波長分割多重（WDM）が光インターコネクトで達するスペクトル容量の限界を克服する。
• モード分割多重（MDM）を用いて空間モードを直交通信チャネルとして活用することで、スケーラブルで高容量の光インターコネクトを実現する。
• フォトニクスの逆設計を用いて、串撓性とインサーションロスを最小限に抑えた統合的で全受動的な広帯域MDM多重器を開発する。
• シリコンフォトニクスプラットフォーム上で15-THzのスペクトルスパンにわたり、WDMとMDMを組み合わせた誤りなしで大量並列のデータ伝送を実証する。

提案手法

• フォトニクスの逆設計を用いて、Cバンド（1525–1560 nm）で広帯域かつ低串撓性の動作を実現するマルチモード多重器（MDM）を最適化する。
• ソリトンマイクロコムレーザーを用いて、3.6 THzのスパンにわたり300 GHz間隔で等間隔かつ高コherencyを持つ13の波長チャネルを生成する。
• 逆設計されたMDM多重器をリングモodulatorおよびSi/Geフォトダイオードと統合し、1枚のシリコンチップ上にオンチップおよびチップ間伝送用の構成を実現する。
• 局所発振器を備えたコherent受信機を用いて、52チャネルのWDM-MDM信号（13波長×4モード）を検出・復調し、ビット誤りレート（BER）を測定する。
• 連続波（CW）レーザーおよび赤外イメージングを用いてモード依存損失と串撓性を評価し、モードの整合性と結合効率を検証する。
• 逆設計を用いて、マルチモード分岐器やクロスオーバーなど、コンactなフォトニクス素子を設計し、複雑なマルチモード回路統合を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクスの逆設計は、シリコンフォトニクスにおける多波長動作に適した広帯域・低串撓性・全受動的MDM多重器の実現を可能にするか？
• RQ2 逆設計された部品を用いたWDMとMDMの組み合わせは、従来のWDMの限界を超えて、合計データレートをどの程度まで向上させ得るか？
• RQ3 提案された多次元多重化方式は、スペクトル占用と串撓性の観点から、どの程度スケーラブルでスペクトル効率が良いか？
• RQ4 実環境条件下における統合WDM-MDM送信機のビット誤りレート（BER）およびデータレート性能はいかがなものか？
• RQ5 逆設計された部品は、最小限の損失と串撓性で、モードルーティングや分岐などの複雑なマルチモード回路機能を実現できるか？

主な発見

• 逆設計されたMDM多重器は、12チャネルで測定されたインサーションロスが-0.23 to -0.47 dB、串撓性が-53 dBから-25 dBの範囲に収まった。
• システムは320 GHzのスペクトル帯域幅で誤りなしの1.28-Tb/s伝送を実証し、スペクトル効率は4 Tb/s/Hzに達した。
• MDM多重器は4つの空間モードにわたり13のWDMチャネルをサポートし、合計52のデータチャネルを実現。全モードで3-dB帯域幅は60 nmであった。
• モード依存損失は約5 dBと測定され、主にファイバーコーリングとチップ-ファイバーのずれに起因した。
• コherent受信機による測定で、全64チャネル（バック・トゥ・バックを含む）でBER < 1e-12を達成し、誤りなしの動作を確認した。
• 逆設計されたビーム発生器により、チップ間で無線・自由空間MDM伝送を実現し、受信機で明確なモードプロファイルと低串撓性が測定された。