[논문 리뷰] High speed optical processing via four-wave-mixing in a silicon waveguide

F. Li, Mark Pelusi외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 02.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 13인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 오직 광학적 방법을 사용하여 실리콘 나노와이어 웨이브가이드에서 4중파 혼합(FWM)을 이용해 160 Gb/s 디멀티플렉싱을 구현하며, 오류 없는 작동을 달성하고 3.9 dB의 손실을 유발한다. 이 방법은 전자 변환 없이 고속 신호 처리를 위한 소형 실리콘 플랫폼에서 비선형 광학적 과정을 활용한다.

ABSTRACT

We demonstrate all-optical demultiplexing at 160 Gigabits per second in the C-band, based on nonlinear optics using four-wave mixing (FWM) in a silicon nanowire. We achieve error-free operation with a penalty of ~ 3.9dB.

연구 동기 및 목표

• 고용량 광통신 시스템을 위한 160 Gb/s 수준의 전면 광학적 신호 처리를 가능하게 하기 위해.
• 비선형 웨이브가이드를 이용해 광신호 처리에서 전자 대역폭 제한을 극복하기 위해.
• 실리콘 기반 통합 광학 소자를 사용하여 C 대역에서 오류 없는 작동을 입증하기 위해.
• 실리콘 나노와이어가 초고속 광신호 처리를 위한 실현 가능성을 검증하기 위해.
• 소형 플랫폼에서 4중파 혼합(FWM)을 이용한 전면 광학적 디멀티플렉싱에서 신호 손실을 최소화하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 나노와이어 웨이브가이드에서 4중파 혼합(FWM)을 이용해 전면 광학적 디멀티플렉싱을 수행한다.
• 다른 파장에서의 풀스ignal과 데이터 신호를 사용하여 차주파수 성분의 아이들러 신호를 생성한다.
• 웨이브가이드의 분산를 설계하여 준위상 일치(quasi-phase matching)를 달성함으로써 FWM 과정을 향상시킨다.
• 고비선형성과 낮은 전파 손실을 확보하기 위해 표준 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기술을 사용해 실리콘 웨이브가이드를 제작한다.
• 표준 통신 창구에 맞추기 위해 C 대역(1530–1565 nm)에서 시스템을 운영한다.
• 오류 성능 평가를 위해 비트 오류율(BER) 테스트를 실시하여 오류 없는 작동을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나노와이어에서의 4중파 혼합이 160 Gb/s 수준에서 수용 가능한 신호 무결성을 확보하면서 전면 광학적 디멀티플렉싱을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 웨이브가이드에서 FWM를 사용할 때 오류 없는 작동을 유지하면서 도달할 수 있는 최대 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ3 160 Gb/s에서 FWM 기반 디멀티플리케이터의 신호 손실은 전자 시스템에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 실리콘 나노와이어는 초고속 신호 처리를 위한 비선형 광학적 과정을 어느 정도 지원할 수 있는가?
• RQ5 실용적인 광망 응용 분야를 위해 소형이고 통합된 실리콘 플랫폼에서 FWM 과정을 효율적으로 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 실리콘 나노와이어에서 FWM를 이용해 C 대역에서 160 Gb/s 수준의 오류 없는 전면 광학적 디멀티플렉싱을 달성하였다.
• 약 3.9 dB의 신호 손실이 측정되어 높은 품질의 신호 재생을 나타낸다.
• 실리콘 웨이브가이드에서의 FWM 과정은 전자 변환 없이도 파장 변환 및 신호 처리를 가능하게 한다.
• 웨이브가이드의 분산 설계를 통한 준위상 일치가 FWM 효율을 크게 향상시켰다.
• 현행 성능 결과는 실리콘 나노와이어가 초고속 광신호 처리에 실현 가능함을 확인한다.
• 결과는 향후 전면 광통신 네트워크를 위한 비선형 실리콘 포토닉스의 통합을 뒷받침한다.