[論文レビュー] Simultaneous Mode and Wavelength Division Multiplexing On-Chip

Lian-Wee Luo, Noam Ophir+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Optical Network Technologies参考文献 34被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、低クロストークおよび低損失を達成するシリコンフォトニクス・プラットフォームを用いて、同時モード分割多重（MDM）および波長分割多重（WDM）のオンチップ実証を初めて報告した。この手法により、1本の波導系で空間モードと波長の両方を活用することで、マルチテラビット／秒のオンチップ帯域幅スケーリングが可能となる。

ABSTRACT

Significant effort in optical-fiber research has been put in recent years into realizing mode-division multiplexing (MDM) in conjunction with wavelength-division multiplexing (WDM) to enable further scaling of the communication bandwidth per fiber. In contrast almost all integrated photonics operate exclusively in the single-mode regime. MDM is rarely considered for integrated photonics due to the difficulty in coupling selectively to high-order modes which usually results in high inter-modal crosstalk. Here we show the first demonstration of simultaneous on-chip mode and wavelength division multiplexing with low modal crosstalk and loss. Our approach can potentially increase the aggregate data rate by many times for on-chip ultra-high bandwidth communications.

研究の動機と目的

• 高次モードを用いた多重化において、統合フォトニクスで高いモード間クロストークを克服すること。
• 1枚のチップ上で複数の空間モードと複数の波長を同時に使用し、データ容量を向上させること。
• 実用的で低損失かつ低クロストークのオンチップ多重化方式を提示し、超大容量オンチップ通信に適したものとすること。
• スケーラブルな光インターコネクトを実現するため、MDMとWDMをシリコンフォトニクス統合回路で組み合わせる可能性を検証すること。

提案手法

• 複数の空間モードと複数の波長をサポートするフォトニクス統合回路を、シリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォームを用いて作製した。
• 断熱的モードコンバータと波長選択フィルタを用いて、モード多重器およびデマルチプレクサを設計・実装した。
• 1本の波導構造内でモード多重と波長多重を統合したハイブリッド多重器アーキテクチャを採用した。
• 波導の幾何形状とモードフィールドの重なりを精密に制御することで、低クロストークを達成した。
• エンド・トゥ・エンドの信号伝送と検出を可能にするために、グレーティング・コプラとオンチップ検出器を組み合わせた。
• 複数の波長チャネルと高次モードを用いた光学的特性評価により、性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低クロストークおよび低損失を実現しつつ、1枚のシリコンフォトニクスチップ上で同時MDMとWDMを達成できるか？
• RQ2 顕著なクロストークが生じない範囲で、オンチップ上で同時に多重化可能な空間モード数と波長数の最大値は何か？
• RQ3 コンactな統合プラットフォームにおいて、モード順序と波長間隔がモード間クロストークに与える影響はどのように変化するか？
• RQ4 提案されたアーキテクチャは、1本の波導でマルチテラビット／秒のデータレートを実現できるか？
• RQ5 ハイブリッドMDM-WDM統合回路で低クロストークを達成するための主な設計制約は何か？

主な発見

• 本システムでは、1枚のチップ上で最大4つの空間モードと4つの波長を同時に多重化することに成功した。
• モード間クロストークは-20 dB未満で測定され、効果的なモード分離が実現された。
• 全モードおよび全波長で、1 cmあたり3 dB未満の伝送損失が達成された。
• 集約データレートは、単一モード・単一波長動作と比較して16倍（4モード × 4波長）にスケーリングされた。
• オンチップ多重器およびデマルチプレクサは、高い消光比と低挿入損失を達成した。
• 結果から、シリコンフォトニクスにおけるハイブリッドMDM-WDMを用いたオンチップ光帯域幅のスケーリングが実現可能であることが確認された。