[논문 리뷰] Chip-to-chip optical multimode communication with universal mode processors

Bo Wu, Wenkai Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 20.

Optical Network TechnologiesEngineering참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 프ogrammable 4×4 마흐-제이더 간섭계(MZI) 네트워크 기반의 유니버설 모드 프로세서를 사용하여 재구성 가능하고 지능적인 칩 간 광다중모드 통신 시스템을 제안한다. 이 시스템은 준선형 편광(LP) 모드와 궤도역량운동량(OAM) 모드를 동적으로 생성하고 분류할 수 있으며, 25 Gbit/s 전송을 달성하면서 다중모드 간 간섭과 환경적 요동에 뛰어난 내성을 보이며, 확장 가능한 다중모드 광링크를 위한 프로그래밍 가능한 유니버설 모드 제어를 실증한다.

ABSTRACT

The increasing amount of data exchange requires higher-capacity optical communication links. Mode division multiplexing (MDM) is considered as a promising technology to support the higher data throughput. In an MDM system, the mode generator and sorter are the backbone. However, most of the current schemes lack the programmability and universality, which makes the MDM link susceptible to the mode crosstalk and environmental disturbances. In this paper, we propose an intelligent multimode optical communication link using universal mode processing (generation and sorting) chips. The mode processor consists of a programmable 4*4 Mach Zehnder interferometer (MZI) network and can be intelligently configured to generate or sort both quasi linearly polarized (LP) modes and orbital angular momentum (OAM) modes in any desired routing state. We experimentally establish a chip-to-chip MDM communication system. The mode basis can be freely switched between four LP modes and four OAM modes. We also demonstrate the multimode optical communication capability at a data rate of 25 Gbit/s. The proposed scheme shows significant advantages in terms of universality, intelligence, programmability and resistance to mode crosstalk, environmental disturbances and fabrication errors, demonstrating that the MZI-based reconfigurable mode processor chip has great potential in long-distance chip-to-chip multimode optical communication systems.

연구 동기 및 목표

• 칩 간 광통신을 위한 기존 다중모드 분할 다중화(MDM) 시스템에서의 프로그래밍 가능성과 유니버설리티 부족 문제를 해결하기 위해.
• 다중모드 광링크에서 모드 간섭, 환경 변화, 제작 공차에 대한 민감도를 줄이기 위해.
• 동적으로 LP 및 OAM 모드를 생성하고 분류할 수 있는 재구성 가능하고 지능적인 모드 프로세서를 개발하기 위해.
• 고성능 및 높은 내성을 갖춘 완전 통합형 칩 기반 MDM 통신 시스템을 구현하기 위해.

제안 방법

• 모드 프로세서는 테이블러블 위상 이동과 가변 커플러를 갖춘 프로그래밍 가능한 4×4 마흐-제이더 간섭계(MZI) 네트워크로 구현된다.
• 소프트웨어를 통해 MZI 네트워크를 구성함으로써 어떤 입력 모드도 원하는 출력 모드로 라우팅할 수 있으며, 이는 유니버설 모드 처리를 가능하게 한다.
• MZI 위상 설정을 재구성하여 네 개의 LP 모드와 네 개의 OAM 모드 간 전환 기능을 지원한다.
• 모드 프로세서는 칩 간 광링크에 통합되며, 송신기 및 수신기 양단에서 모두 칩 내에서 모드 생성 및 분류가 수행된다.
• 디지털 제어 인터페이스를 사용하여 다양한 모드 기저와 라우팅 상태에 맞게 MZI 네트워크를 실시간으로 재구성할 수 있다.
• 실험적 설정을 통해 시스템이 모드 전환 중에도 낮은 간섭과 높은 신호 정합성을 유지할 수 있음을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 재구성 가능한 MZI 기반 프로세서가 프로그래밍 가능한 방식으로 LP 및 OAM 모드를 모두 생성하고 분류할 수 있는가?
• RQ2 다양한 모드 기저 간 전환 시 시스템의 간섭 수준과 신호 정합성은 어떻게 평가되는가?
• RQ3 프로세서는 환경적 요동과 제작 오차가 모드 정밀도에 미치는 영향을 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ4 칩 간 다중모드 광링크에서 유니버설 모드 처리를 통해 도달할 수 있는 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ5 시스템의 프로그래밍 가능성은 향후 광인터커넥트의 확장성과 적응성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 시스템은 25 Gbit/s의 데이터 전송 속도로 낮은 비트 오류율을 기록하며 칩 간 다중모드 광통신을 성공적으로 실현하였다.
• 유니버설 모드 프로세서는 하드웨어 재구성 없이 네 개의 LP 모드와 네 개의 OAM 모드 간 동적 전환을 가능하게 하였다.
• 모드 전환 중에도 낮은 신호 품질 저하를 보이며 높은 간섭 저항성을 확보하였다.
• MZI 기반 프로세서는 환경적 요동과 제작 유도 간섭에 의해 발생하는 영향에도 낮은 간섭과 높은 신호 정합성을 유지하였다.
• MZI 네트워크의 프로그래밍 가능한 특성 덕분에 실시간으로 모드 라우팅을 재구성할 수 있었으며, 이는 다중모드 운영의 융통성과 지능성을 보장하였다.
• 결과적으로 재구성 가능한 MZI 칩이 확장 가능한 고용량 광인터커넥트를 위한 유니버설 플랫폼으로 사용될 수 있음을 확인하였다.