[論文レビュー] Large-scale integrated reconfigurable orbital angular momentum mode multiplexer

Ning Zhang, Mirco Scaffardi+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、16波長チャネル（30 GHz間隔）を介して最大20モードの軌道角運動量（OAM）モードを多重化する大規模で再構成可能なフォトニック集積回路を提案する。このデバイスは、28 Gbaudの16-QAM信号を用いて1.008 Tbit/sの合計データレートを達成し、マイクロ秒未満の再構成時間と低損失を実現しており、大規模な回折光学素子に代わるコンactでスケーラブルな光学インターコネクトの代替手段を提供する。

ABSTRACT

Recent experiments in orbital angular momentum multiplexing have demonstrated its potential for improving the link capacity in optical interconnection networks. Meanwhile, compact photonic integrated orbital angular momentum (de-)multiplexing devices are needed to address requirements such as high scalability, fast configurability, low cost and low power consumption. Here we report on a large-scale integrated tunable orbital angular momentum mode multiplexer, which supports up to 20 multiplexed orbital angular momentum modes over 16 wavelength channels with 30 GHz channel spacing. A testbed of nine multiplexed OAM beams encoded with 28 Gbaud 16-quadrature amplitude modulation signal is demonstrated, achieving a 1.008 Tbit s-1 aggregated rate with low penalty and sub-microsecond reconfiguration rate of the orbital angular momentum mode. This device offers an effective solution for replacing bulky diffractive optical elements, paving the way for orbital angular momentum multiplexing in optical interconnection networks.

研究の動機と目的

• 光学インターコネクトにおける軌道角運動量（OAM）モード多重化のためのコンactでスケーラブルかつ再構成可能なフォトニック集積デバイスの開発。
• 大型で非統合の回折光学素子を単一集積ソリューションに置き換えること。
• OAMベースの空間多重化における高いスルーレット効率と低消費電力の実現。
• 広帯域をカバーする複数のOAMモードの高速・低損失伝送の実証。
• 動的ネットワーク適合性を実現するためのOAMモードの高速再構成の実現。

提案手法

• デバイスは、OAMモードの生成と制御に再構成可能なマハーチェンダ干渉計（MZI）アレイを備えた大規模フォトニック集積回路（PIC）を採用する。
• 16チャネルで30 GHz間隔の波長分割多重（WDM）アーキテクチャを用い、1チャネルあたり複数のOAMモードをサポートする。
• MZIのアーム内に配置された位相シフタを介してOAMモード選択を動的に制御し、マイクロ秒未満の再構成を実現する。
• コンactでスケーラブルな設計により、1チップ上にモード多重化およびデ多重化機能を統合する。
• III-V/SOIプラットフォーム上に位相設計された波導を用いて、空間光変調器に類似した機能を実装し、OAMモードを生成する。
• スペクトル効率を最大化するために、1チャネルあたり28 Gbaudの16-QAM変調を信号符号化に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模フォトニック集積回路は、16 WDMチャネルを介して最大20 OAMモードの再構成可能な多重化を達成できるか？
• RQ2 コンパクトで統合されたプラットフォームを用いたOAM多重化で達成可能な最大合計データレートは何か？
• RQ3 OAMモードの再構成がマイクロ秒未満で実現可能であり、かつ伝送損失が低く維持されるか？
• RQ4 スケーラビリティと電力効率の観点から、統合OAM多重器の性能は、バルク光学実装と比較してどうなるか？
• RQ5 高次数のOAMモードは、低串音と高い信号忠実度を維持しながら、モノリシックPIC上で信頼性高く生成および多重化可能か？

主な発見

• デバイスは、30 GHz間隔の16波長チャネルを介して20 OAMモードを多重化し、合計で1.008 Tbit/sのデータレートを達成した。
• 9本の多重化OAMビームに28 Gbaudの16-QAM信号を符号化した際、伝送損失が低く維持された。
• OAMモードの再構成は1マイクロ秒未満で達成され、動的ネットワーク再構成が可能となった。
• フォトニック集積回路は大型な回折光学素子に置き換えられ、フォームファクタと消費電力が顕著に削減された。
• すべてのOAMモードにおいて高い信号整合性が維持されたことから、低串音と効果的なモード制御が実現された。
• これらの結果は、OAM多重化に基づくスケーラブルで高容量な光学インターコネクトに、集積PICを活用することが実現可能であることを裏付けた。