[논문 리뷰] Inverse-designed multi-dimensional silicon photonic transmitters

Ki Youl Yang, Alexander D. White외 34명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 25.

Photonic and Optical Devices인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 파장 분할 multiplexing (WDM)과 모드 분할 multiplexing (MDM)을 단일 칩에 통합하여 고대역폭 광 인터커넥트를 가능하게 하는 역설계된 다차원 실리콘 광학 송신기를 제시한다. 광학 역설계를 통해 저잡음, 광대역, 전부 동작하는 MDM multiplexer를 구현하여 네트워크의 4개 공간 모드를 통해 13개의 WDM 채널을 지원하며, 총 1.28-Tb/s의 데이터 전송 속도를 달성했고, 스펙트럼 대역폭은 단지 320 GHz에 불과하다. 이는 오류 없는 전송과 향후 칩 내 및 칩 간 통신을 위한 확장 가능하고 직교적인 multiplexing 기술을 입증한다.

ABSTRACT

Modern microelectronic processors have migrated towards parallel computing architectures with many-core processors. However, such expansion comes with diminishing returns exacted by the high cost of data movement between individual processors. The use of optical interconnects has burgeoned as a promising technology that can address the limits of this data transfer. While recent pushes to enhance optical communication have focused on developing wavelength-division multiplexing technology, this approach will eventually saturate the usable bandwidth, and new dimensions of data transfer will be paramount to fulfill the ever-growing need for speed. Here we demonstrate an integrated intra- and inter-chip multi-dimensional communication scheme enabled by photonic inverse design. Using inverse-designed mode-division multiplexers, we combine wavelength- and mode- multiplexing and send massively parallel data through nano-photonic waveguides and optical fibres. Crucially, as we take advantage of an orthogonal optical basis, our approach is inherently scalable to a multiplicative enhancement over the current state of the art.

연구 동기 및 목표

• 전기적 데이터 이동으로 인한 다핵 프로세서 간 연결의 증가하는 대역폭 및 에너지 효율성 한계를 해결하기 위해.
• 광 인터커넥트에서 전통적인 파장 분할 multiplexing (WDM)의 스펙트럼 용량 한계를 극복하기 위해.
• 모드 분할 multiplexing (MDM)를 통해 공간 모드를 직교 통신 채널로 활용하여 확장 가능하고 고용량 광 인터커넥트를 실현하기 위해.
• 광학 역설계를 통해 저잡음 및 삽입 손실을 최소화하는 통합형, 전부 동작하는 광대역 MDM multiplexer를 개발하기 위해.
• 실리콘 광학 플랫폼에서 15-THz 스펙트럼 범위를 초과하는 WDM-MDM을 조합하여 오류 없는 다중 병렬 데이터 전송을 실현하기 위해.

제안 방법

• C 대역(1525–1560 nm)에서 광대역, 저잡음 작동을 위한 다중 모드 multiplexer (MDM)를 광학 역설계로 최적화하기 위해.
• 솔리톤 마이크로콤 레이저를 사용하여 3.6 THz 스펙트럼 범위 내에서 300 GHz 간격으로 균일하고 고일관성 파장 채널 13개를 생성하기 위해.
• 역설계된 MDM multiplexer를 고리형 변조기 및 Si/Ge 광검출기와 함께 단일 실리콘 칩에 통합하여 칩 내 및 칩 간 전송을 위해 사용하기 위해.
• 일관성 수신기를 사용하여 로컬 온스틸로 52채널 WDM-MDM 신호(13개 파장 × 4개 모드)를 수신하고, 비트 오류율(BER)을 측정하기 위해.
• 지속적 파장(CW) 레이저와 적외선 영상 기술을 활용하여 모드 의존성 손실과 잡음을 특성화하여 모드 무결성과 결합 효율성을 검증하기 위해.
• 역설계를 통해 소형 다기능 광학 구성 요소(예: 다중 모드 분배기 및 교차 구조)를 제작하여 복잡한 다중 모드 회로 통합을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 역설계는 실리콘 광학에서 다중 파장 작동에 적합한 광대역, 저잡음, 전부 동작하는 MDM multiplexer를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 역설계된 구성 요소를 통해 WDM와 MDM를 조합하면 기존 WDM의 한계를 초월하여 집합적 데이터 전송 속도를 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ3 제안된 다차원 multiplexing 기법은 스펙트럼 점유율과 잡음 측면에서 얼마나 확장 가능하고 스펙트럼 효율적인가?
• RQ4 실세계 조건 하에서 통합된 WDM-MDM 송신기의 비트 오류율(BER) 및 데이터 전송 속도 성능은 어떠한가?
• RQ5 역설계된 구성 요소는 낮은 손실과 잡음을 동반하면서도 모드 라우팅 및 분배와 같은 복잡한 다중 모드 회로 기능을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 역설계된 MDM multiplexer는 12개 채널에서 측정된 삽입 손실이 -0.23 to -0.47 dB이며, 잡음은 -53 dB에서 -25 dB 사이로 측정되었다.
• 시스템은 320 GHz 스펙트럼 대역폭에서 오류 없는 1.28-Tb/s 데이터 전송을 실현하여 스펙트럼 효율성 4 Tb/s/Hz를 달성했다.
• MDM multiplexer는 네트워크의 4개 공간 모드를 통해 13개의 WDM 채널을 지원하여 총 52개의 데이터 채널를 제공하며, 모든 모드에서 3-dB 대역폭은 60 nm이다.
• 모드 의존성 손실은 약 5 dB로 측정되었으며, 주로 섬유 결합 및 칩-섬유 정렬 오차로 인한 것이다.
• 일관성 수신기는 모든 64개 채널(백투백 포함)에서 BER < 1e-12를 측정하여 오류 없는 작동을 확인했다.
• 역설계된 빔 발사기 덕분에 칩 간 무선 자유공간 MDM 전송이 가능해졌으며, 수신기에서 측정 가능한 모드 프로파일과 낮은 잡음을 확보했다.