[논문 리뷰] Large-scale integrated reconfigurable orbital angular momentum mode multiplexer

Ning Zhang, Mirco Scaffardi외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 16개의 파장 채널(30 GHz 간격)을 통해 최대 20개의 궤도각운동량(OAM) 모드를 다중화하는 대규모 재구성 가능한 광학 집적 회로를 제시한다. 장치는 28 Gbaud 16-QAM 신호를 사용하여 총 1.008 Tbit/s의 집합적 데이터 전송 속도를 달성하며, 마이크로초 이하의 재구성 시간과 낮은 손실을 제공하여 대체로 부피가 큰 회절 광학 요소에 비해 작고 확장 가능한 옵션을 제공한다.

ABSTRACT

Recent experiments in orbital angular momentum multiplexing have demonstrated its potential for improving the link capacity in optical interconnection networks. Meanwhile, compact photonic integrated orbital angular momentum (de-)multiplexing devices are needed to address requirements such as high scalability, fast configurability, low cost and low power consumption. Here we report on a large-scale integrated tunable orbital angular momentum mode multiplexer, which supports up to 20 multiplexed orbital angular momentum modes over 16 wavelength channels with 30 GHz channel spacing. A testbed of nine multiplexed OAM beams encoded with 28 Gbaud 16-quadrature amplitude modulation signal is demonstrated, achieving a 1.008 Tbit s-1 aggregated rate with low penalty and sub-microsecond reconfiguration rate of the orbital angular momentum mode. This device offers an effective solution for replacing bulky diffractive optical elements, paving the way for orbital angular momentum multiplexing in optical interconnection networks.

연구 동기 및 목표

• 광학 인터커넥트에서 궤도각운동량(OAM) 모드 다중화를 위한 작고 확장 가능하며 재구성 가능한 광학 집적 장치를 개발하는 것.
• 크기가 큰 비통합 회절 광학 요소를 단일 집적 솔루션으로 대체하는 것.
• OAM 기반 공간 다중화에서 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 전력 소비를 달성하는 것.
• 넓은 대역폭에서 다수의 OAM 모드를 고속으로 낮은 손실로 전송하는 것을 입증하는 것.
• 동적 네트워크 적응성을 위한 OAM 모드의 빠른 재구성 기능을 제공하는 것.

제안 방법

• 장치는 대규모 광학 집적 회로(PIC)를 기반으로 하며, 재구성 가능한 맥스웰-젠더 간섭계(MZI) 어레이를 사용하여 OAM 모드를 생성하고 제어한다.
• 16개의 채널로 구성된 파장다중다발(위상다중다발, WDM) 아키텍처를 사용하여 각 채널에서 다수의 OAM 모드를 지원한다.
• MZI의 다리에 배치된 위상 시프터를 통해 OAM 모드 선택을 동적으로 제어함으로써 마이크로초 이하의 재구성 시간을 달성한다.
• 단일 칩에 모드 다중화 및 분리 기능을 통합하여 작고 확장 가능한 설계를 실현한다.
• III-V/SOI 플랫폼에 구현된 위상 설계 웨이브가이드를 통해 공간 빛 조절 기능과 유사한 방식으로 OAM 모드를 생성한다.
• 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 각 채널에서 28 Gbaud의 16- Quadrature Amplitude Modulation(16-QAM) 신호를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 광학 집적 회로가 16개의 WDM 채널을 통해 최대 20개의 OAM 모드를 재구성 가능한 다중화 방식으로 처리할 수 있는가?
• RQ2 작고 통합된 플랫폼을 사용할 때 OAM 다중화를 통해 달성 가능한 최대 집합적 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ3 장치는 마이크로초 이하의 OAM 모드 재구성 시간을 확보하면서도 낮은 전송 손실을 유지할 수 있는가?
• RQ4 확장성과 전력 효율성 측면에서 통합 OAM 다중화기의 성능이 부피가 큰 광학적 실현 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 고차수 OAM 모드는 단일 집적 회로(PIC)에서 낮은 교차다중성과 높은 신호 정밀도를 유지하며 신뢰성 있게 생성되고 다중화될 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 30 GHz 간격을 가진 16개의 파장 채널을 통해 20개의 OAM 모드를 성공적으로 다중화하여 총 집합적 데이터 전송 속도 1.008 Tbit/s를 달성했다.
• 9개의 다중화된 OAM 비트에 28 Gbaud 16-QAM 신호를 인코딩할 때 낮은 전송 손실을 입증했다.
• OAM 모드의 재구성이 1 마이크로초 미만으로 이루어져 동적 네트워크 재구성 기능을 실현했다.
• 광학 집적 회로는 크기가 큰 회절 광학 요소를 대체하여 면적과 전력 소비를 크게 감소시켰다.
• 모든 OAM 모드에서 높은 신호 정밀도를 유지하여 낮은 교차다중성과 효과적인 모드 제어를 입증했다.
• 결과적으로 OAM 다중화 기반의 확장 가능하고 고용량 광학 인터커넥트를 위한 통합 PIC의 실현 가능성을 입증했다.