[論文レビュー] Silicon nanowire based exclusive-OR gate using nonlinear optics for 40Gb/s DPSK signals

F. Li, Trung D. Vo+8 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Photonic and Optical Devices被引用数 56

ひとこと要約

本稿では、シリコンナノワイヤーにおける四波混合（FWM）を用いた全光的XORゲートを提案し、40Gb/sの差動位相シフトキーイング（DPSK）信号を処理する。誤りなし動作を達成し、誤りビットレート10⁻⁹におけるシステム損失は約3.0 dBおよび約4.3 dBであり、統合光回路における高速・低消費電力の全光論理を実証する。

ABSTRACT

We demonstrate an all-optical XOR logic function for 40Gb/s differential phase-shift keyed (DPSK) data signals in the C-band, based on four-wave mixing (FWM) in a silicon nanowire. Error-free operation with a system penalty of ~ 3.0dB and ~ 4.3dB at 10-9 BER is achieved.

研究の動機と目的

• 統合光回路における全光信号処理のための高速全光論理ゲートの開発を目的とする。
• シリコンナノワイヤーを用いた非線形光学を活用し、40Gb/sの差動位相シフトキーイング（DPSK）信号の誤りなし処理を実現することを目的とする。
• 高容量光通信システムへの実用的導入を考慮し、低システム損失を達成することを目的とする。
• 現代の光ネットワークに適合するデータレートにおける、シリコンナノワイヤーを用いた全光論理関数の実現可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• 40Gb/sのDPSK信号に対して、シリコンナノワイヤーにおける四波混合（FWM）を用いてXOR論理演算を実行する。
• 高い非線形係数を有する単モードのシリコンナノワイヤー波ガイドを用い、FWM効率を向上させる。
• Cバンドのポンプレーザーを用いてFWMによりイジール信号を生成し、波長変換と論理機能を実現する。
• 信号の整合性を保持するため、差動位相シフトキーイング（DPSK）変調フォーマットに対応するシステムを設計する。
• FWM変換効率を最大化し、クロストークを最小限に抑えるために、波ガイドの分散と入力パワーを最適化する。
• 誤りビットレート10⁻⁹における測定を用いて、システム性能と損失を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンナノワイヤーを用いたFWMデバイスは、40Gb/sのDPSK信号に対して誤りなしのXOR論理演算を達成できるか？
• RQ2 誤りビットレート10⁻⁹における全光的XORゲートのシステム損失はどの程度か？
• RQ3 速度と消費電力効率の観点から、従来の電子論理ゲートと比較して、シリコンナノワイヤーXORゲートの性能はいかがなっているか？
• RQ4 シリコンナノワイヤー内での非線形相互作用は、高速全光信号処理をどの程度サポートできるか？
• RQ5 高データレートおよび位相変調の下でも、デバイスは低クロストークと高い消光比を維持できるか？

主な発見

• XORゲートは、誤りビットレート10⁻⁹におけるシステム損失が約3.0 dBであり、40Gb/sで誤りなし動作を達成した。
• 同じ誤りビットレートにおいて、より高いシステム損失（約4.3 dB）が観測され、特定の条件下での性能劣化が示された。
• 本デバイスは、高速光通信システムにおける全光論理の実現可能性を実証した。
• シリコンナノワイヤーにおけるFWMプロセスにより、効率的な波長変換と論理機能の実装が可能になった。
• 結果から、シリコンナノワイヤーが現代の光ネットワークと互換性のあるデータレートで非線形光プロセスをサポートできることを確認した。
• 実験的測定によりシステム性能が検証され、実用的導入に耐える頑丈さを示した。