[논문 리뷰] Simultaneous Mode and Wavelength Division Multiplexing On-Chip

Lian-Wee Luo, Noam Ophir외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 10.

Optical Network Technologies참고 문헌 34인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 포토닉 플랫폼을 사용하여 동시에 모드 분할 multiplexing(MDM)과 파장 분할 multiplexing(WDM)을 실현한 최초의 온칩 구현을 제시한다. 이는 낮은 모드 간 간섭과 낮은 전파 손실을 달성하였다. 이 방법은 단일 웨이브가이드 시스템 내에서 공간 모드와 파장을 동시에 활용함으로써 타이어비트/초 이상의 온칩 대역폭 확장을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Significant effort in optical-fiber research has been put in recent years into realizing mode-division multiplexing (MDM) in conjunction with wavelength-division multiplexing (WDM) to enable further scaling of the communication bandwidth per fiber. In contrast almost all integrated photonics operate exclusively in the single-mode regime. MDM is rarely considered for integrated photonics due to the difficulty in coupling selectively to high-order modes which usually results in high inter-modal crosstalk. Here we show the first demonstration of simultaneous on-chip mode and wavelength division multiplexing with low modal crosstalk and loss. Our approach can potentially increase the aggregate data rate by many times for on-chip ultra-high bandwidth communications.

연구 동기 및 목표

• 고차 모드를 이용한 multiplexing에서 발생하는 높은 모드 간 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 단일 칩에서 다수의 공간 모드와 다수의 파장을 동시에 사용하여 데이터 용량을 증가시키기 위해.
• 초고대역폭 온칩 통신에 적합한 실용적이고 저손실, 저간섭의 온칩 multiplexing 기법을 시현하기 위해.
• 스케일러블 광인터커넥트를 위한 실리콘 포토닉 통합 회로에서 MDM와 WDM을 결합하는 가능성 검증하기 위해.

제안 방법

• 다양한 공간 모드와 파장 대역을 지원하는 포토닉 통합 회로를 제작하기 위해 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼을 활용하였다.
• 단서적 모드 변환기와 파장 선택성 필터를 사용하여 모드 multiplexer 및 디 multiplexer를 설계 및 구현하였다.
• 단일 웨이브가이드 구조 내에서 모드와 파장을 동시에 multiplexing하는 하이브리드 multiplexer 아키텍처를 채택하였다.
• 웨이브가이드 기하구조와 모드 필드 겹침을 정밀하게 제어하여 낮은 간섭을 달성하였다.
• 끝에서 끝까지의 신호 전송과 검출을 가능하게 하기 위해 격자 커퍼 및 온칩 검출기를 조합하여 사용하였다.
• 다양한 파장 채널과 고차 모드를 대상으로 광학적 특성 측정을 통해 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 간섭과 손실을 갖는 단일 실리콘 포토닉 칩에서 동시에 모드 및 파장 분할 multiplexing를 달성할 수 있는가?
• RQ2 의도적으로 간섭이 발생하지 않는 한계까지 온칩에서 동시에 다중 공간 모드와 다중 파장을 복소화할 수 있는 최대 수는 얼마인가?
• RQ3 작은 통합 플랫폼에서 모드 순서와 파장 간격이 증가함에 따라 모드 간 간섭은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 제안된 아키텍처는 단일 웨이브가이드에서 타이어비트/초 이상의 데이터 전송 속도를 지원할 수 있는가?
• RQ5 하이브리드 MDM-WDM 통합 회로에서 낮은 간섭을 달성하기 위한 주요 설계 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 시스템은 단일 칩에서 최대 4개의 공간 모드와 4개의 파장을 동시에 multiplexing하는 데 성공하였다.
• 모드 간 간섭은 -20 dB 이하로 측정되어 효과적인 모드 분리가 이루어졌음을 나타낸다.
• 모든 모드와 파장에서 전파 손실이 1cm당 3 dB 이하로 유지되었다.
• 집합적 데이터 전송 속도는 단일 모드, 단일 파장 운영 대비 16배(4모드 × 4파장)로 증가하였다.
• 온칩 multiplexer 및 디 multiplexer는 높은 외부 차단비와 낮은 삽입 손실을 달성하였다.
• 결과적으로 실리콘 포토닉스에서 하이브리드 MDM-WDM를 활용한 온칩 광대역폭 확장의 가능성을 확인하였다.