[논문 리뷰] Integrated switch for simultaneous mode-division multiplexing (MDM) and wavelength-division multiplexing (WDM)

Brian Stern, Xiaoliang Zhu외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 16.

Optical Network Technologies참고 문헌 55인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 모드 구성 요소를 사용하여 공간 모드를 개별적으로 루팅함으로써 동시에 모드 분할 Multiplexing(MDM)과 파장 분할 Multiplexing(WDM)을 가능하게 하는 실리콘 칩에 통합된 광스위치를 제시한다. 네 개의 10 Gbps 채널을 동시에 루팅할 때, 저교란(< -20 dB), 10⁻⁹ 이하의 비트 오류율, 2.4 dB 이하의 전력 손실을 달성하여 고대역폭 온칩 광망을 위한 확장 가능한 솔루션을 입증한다.

ABSTRACT

Leveraging the spatial modes of multimode waveguides using mode-division multiplexing (MDM) on an integrated photonic chip allows unprecedented scaling of bandwidth density for on-chip communication. Switching channels between waveguides is critical for future scalable optical networks, but its implementation in multimode waveguides must address how to simultaneously control modes with vastly different optical properties. Here we present a platform for switching signals between multimode waveguides based on individually processing the spatial mode channels using single-mode elements. Using this wavelength-division multiplexing (WDM) compatible platform, we demonstrate a 1x2 multimode switch for a silicon chip which routes four data channels with low (

연구 동기 및 목표

• 다중모드 파동도에서 다수의 공간 모드를 루팅하면서 신호 무결성을 유지하는 문제를 해결하기 위해.
• 단일 광학 플랫폼에서 모드 분할 Multiplexing(MDM)과 파장 분할 Multiplexing(WDM)을 동시에 구동할 수 있도록 하기 위해.
• 개별 모드 처리를 활용한 확장 가능하고 저교란의 스위칭 아키텍처를 설계하기 위해.
• 단일 통합 장치에서 다수의 채널을 통해 고속, 저전력, 저오류율 동작을 구현하기 위해.

제안 방법

• 스위치는 각 공간 모드를 단일 모드 파동도 구성 요소를 통해 독립적으로 처리함으로써 선택적 루팅을 가능하게 하는 플랫폼을 사용한다.
• 다른 공간 모드에 서로 다른 파장을 할당하여 파장 분할 Multiplexing(WDM) 호환성을 확보함으로써 병렬 전송을 실현한다.
• 통합 열광학적 위상 시프터를 사용하여 1x2 스위칭 구성이 네 개의 데이터 채널(파동도당 두 개의 모드, 모드당 두 개의 파장)을 루팅한다.
• 모드별로 스위칭을 제어할 수 있는 맥스-젠더 간섭계 기반 아키텍처를 채택하여 저교란을 달성한다.
• 각 채널은 별도로 루팅된 후 출력에서 합쳐지며, 모드 간 간섭을 최소화한다.
• 시스템은 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼에 제작되어 CMOS 호환성 및 고밀도 광학 회로를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중모드 파동도 시스템에서 낮은 교란을 유지하면서 단일 통합 스위치가 동시에 다수의 공간 모드와 파장을 관리할 수 있는가?
• RQ2 다중모드 파동도의 개별 공간 모드를 선택적으로 루팅하면서 신호 품질을 유지할 수 있는가?
• RQ3 10 Gbps에서 네 개의 채널을 동시에 루팅할 경우 교란과 비트 오류율 성능은 어떠한가?
• RQ4 단일 채널 작동과 비교할 때 모든 채널이 활성화되었을 경우 유도되는 전력 손실은 얼마인가?
• RQ5 확장 가능한 온칩 광학 스위칭 네트워크에서 저오류율과 고대역폭 효율성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 네 개의 채널에서 교란이 -20 dB 이하로 유지되어 공간 모드 간 효과적인 격리가 이루어졌음을 나타낸다.
• 각 채널을 별도로 10 Gbps로 루팅했을 때 비트 오류율이 10⁻⁹ 이하로 유지되어 높은 신호 무결성이 확인되었다.
• 각 채널이 별도로 루팅되었을 때 전력 손실이 1.4 dB 이하로 유지되어 낮은 신호 훼손이 확인되었다.
• 네 개의 채널을 동시에 루팅했을 경우 추가 전력 손실이 2.4 dB 이하로 유지되어 다중 채널 작동의 우수한 내구성을 입증하였다.
• 전체 부하 조건에서도 낮은 교란 및 오류 성능을 유지하여 온칩 광학 스위칭을 위한 확장 가능성의 타당성을 입증하였다.
• 플랫폼는 同시 MDM과 WDM를 가능하게 하여 고대역폭, 에너지 효율적인 온칩 광학 인터커넥트로의 길을 열었다.