[논문 리뷰] Coherent data transmission with microresonator Kerr frequency combs

Joerg Pfeifle, M. Lauermann외 12명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 03.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 마이크로레조나터 기반 케르 주파수 조합을 활용하여 일체형 비선형 광학 기반으로 일관된 광통신을 구현한다. 이는 통합 광학 회로에서 안정적이고 넓은 대역폭을 가진 주파수 조합을 생성하기 위해 사용되며, 높은 스펙트럼 효율성 전송을 가능하게 한다. 시스템은 표준 단일모드 섬유를 100km 거쳐 1.5 Tbit/s의 오류 없는 전송을 달성하였으며, 스펙트럼 효율은 10.4 bit/s/Hz이다. 이는 통합 광학 통신 분야에서 중요한 도약을 의미한다.

ABSTRACT

Joerg Pfeifle, Matthias Lauermann, Daniel Wegner, Victor Brasch, Tobias Herr, Klaus Hartinger, Jingshi Li, David Hillerkuss, 4 Rene Schmogrow, Ronald Holzwarth, 5 Wolfgang Freude, 6 Juerg Leuthold, 6, 4 T. J. Kippenberg, and Christian Koos 6, ∗ Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131, Karlsruhe, Germany Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), 1015, Lausanne, Switzerland Menlo Systems GmbH, 82152 Martinsried, Germany now with ETH Zurich, 8092 Zurich, Switzerland Max-Planck-Institut fur Quantenoptik, 85746 Garching, Germany Institute of Microstructure Technology (IMT), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131, Karlsruhe, Germany

연구 동기 및 목표

• 일체형 마이크로레조나터 케르 주파수 조합을 활용하여 고용량, 스펙트럼 효율적인 광통신을 가능하게 하기.
• 통합 광학 시스템에서 일관된 전송에 적합한 안정적이고 넓은 대역폭, 위상 일관성이 확보된 주파수 조합을 생성하는 데 도전 과제를 해결하기.
• 주파수 조합선을 다수의 데이터 채널을 위한 실선으로 사용하여 장거리 섬유 링크에서 오류 없는 전송을 시연하기.
• 다수의 레이저 대신 단일 통합 마이크로레조나터 소스를 사용하여 높은 스펙트럼 효율성과 데이터 전송 속도를 달성하기.

제안 방법

• 고 품질 인덕턴스(고-Q) 실리콘 나이트라이드 마이크로레조나터를 티사프ire 레이저로 자극하여, 4파면 혼합 및 자기위상조절을 통해 케르 주파수 조합을 생성한다.
• 정밀한 주파수 조합의 스펙트럼 및 위상 특성을 측정하기 위해 듀얼-콤 기법을 사용하여 모든 주파수 조합선에 걸쳐 위상 일관성을 확보한다.
• 실시간 디지털 신호 처리를 갖춘 디지털 일관성 수신기를 사용하여 각 주파수 조합선으로부터 독립적으로 데이터를 복구한다.
• 위상 잡음과 섬유 잡음을 보완하기 위해 고급 캐리어 위상 추정 및 균형 알고리즘을 적용한다.
• 각 주파수 조합선이 별도의 데이터 전송 채널로 기능하는 파장 분할 multiplexing (WDM) 아키텍처를 사용한다.
• 소형, 칩스케일 플랫폼에 마이크로레조나터 소스를 통합하여 확장성과 저전력 소비를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 칩 내 마이크로레조나터 케르 주파수 조합이 일관된 다중 파장 소스로서 일관된 광통신에 활용될 수 있는가?
• RQ2 장거리 전송 시스템에서 마이크로레조나터 주파수 조합을 사용할 경우 도달 가능한 최대 스펙트럼 효율성과 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ3 주파수 조합의 위상 안정성과 스펙트럼 평탄도가 오류 없는 전송 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 디지털 신호 처리가 주파수 조합 기반 전송에서 위상 잡음과 섬유 비선형성을 얼마나 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ5 단일 펌프 레이저만을 사용하면서도 넓은 대역폭에서 높은 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 마이크로레조나터 기반 주파수 조합을 사용하여 표준 단일모드 섬유 100km에서 1.5 Tbit/s의 오류 없는 전송을 달성하였다.
• 10.4 bit/s/Hz의 스펙트럼 효율을 달성하여 스펙트럼 효율적이고 고용량 광링크의 잠재력을 입증하였다.
• 마이크로레조나터 주파수 조합은 100GHz 이상의 대역폭에서 평탄한 스펙트럼 에너지 분포를 가진 위상 일관성이 확보된 넓은 대역폭 출력을 제공하였다.
• 디지털 신호 처리를 통해 위상 잡음과 섬유 비선형성을 성공적으로 보완하여 모든 주파수 조합선에서 견고한 전송을 실현하였다.
• 오류 없는 성능을 유지하였으며, 역비트 오류율은 3.8×10⁻³의 포워드 오류 정정 한계 이하였다.
• 주파수 조합 소스를 소형 칩스케일 플랫폼에 통합함으로써 확장성과 저전력 작동이 가능해졌으며, 향후 광학 통합 회로에 적합하다.