[논문 리뷰] Wavelength-Selective Switches for Mode-Division-Multiplexed Systems

Keang-Po Ho, Joseph M. Kahn외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 28.

Optical Network Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 기존의 단모드 WSS 설계를 확장하여 모드 분할 multiplexed (MDM) 광학 시스템을 위한 파장 선택성 스위치(WSS)를 제안한다. 모드 간 간섭으로 인해 모드 의존성 전송 및 결합 계수들이 발생하며, 이는 중심 주파수 이동과 대역폭 변동을 유도한다. 그 결과, 다중 모드가 존재하는 경우, 중심 주파수 이동과 대역폭 변화가 발생하며, 이는 50GHz 간격의 5개 모드 그룹을 가진 점진적 인덱스 섬유에서 최대 ±3.6GHz까지 변화할 수 있다. 전체 시스템 성능은 모드 평균 전송 계수를 사용하여 특성화된다.

ABSTRACT

Wavelength-selective switches for mode-division-multiplexing systems are designed by scaling switches from single-mode systems. All modes at a given wavelength are switched as a unit, which is necessary in systems with substantial mode coupling, and minimizes the number of ports required to accommodate a given traffic volume. When a pure mode is present at the input, modal transmission and coupling coefficients are mode-dependent and may be computed using a simple mode-clipping model. When multiple modes are present, interference between modes alters the transmission and coupling coefficients, shifting the passband center frequency and changing its bandwidth. Mode-coupling matrices are used to compute mixed modes having the narrowest or widest bandwidths, or having the largest center-frequency offsets. In a specific design for graded-index fiber, five mode groups and 50-GHz channel spacing, the one-sided bandwidth may change up to $\pm$3.6 GHz. In a system with many cascaded switches and strong mode coupling, the end-to-end response per switch may be characterized by a mode-averaged transmission coefficient.

연구 동기 및 목표

• 모드 분할 multiplexed (MDM) 광통신 시스템에서 모드 의존성 쌍방향 간섭과 신호 왜곡을 관리하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 모든 모드를 동일 파장에서 하나의 단위로 처리하는 파장 선택성 스위치(WSS)를 설계하여 포트 수와 복잡성을 감소시킨다.
• 강한 결합이 있는 시스템에서 모드 간섭과 모드 결합이 WSS 성능에 미치는 영향을 특성화한다.
• 모드 결합 행렬을 사용하여 혼합 모드 입력 조건 하에서 전송 및 결합 계수를 계산하는 프레임워크를 개발한다.
• 모드 평균 전송 계수를 사용하여 다중 WSS 네트워크의 종단 간 시스템 응답을 모델링한다.

제안 방법

• 모든 모드를 동일한 파장에서 하나의 스위칭 단위로 간주함으로써 단모드 시스템의 WSS 아키텍처를 MDM에 적응시킨다.
• 단일 모드가 자극되었을 때 모드 의존성 전송 및 결합 계수를 계산하기 위해 모드 절단 모델을 사용한다.
• 혼합 모드 자극 분석에 모드 결합 행렬을 적용하여 극단적인 대역폭 또는 중심 주파수 이동이 발생하는 경우를 식별한다.
• 다중 모드 입력의 간섭 효과를 모델링하여, 단일 모드 행동과 비교할 때 전달대역 중심 주파수와 대역폭이 어떻게 변화하는지 분석한다.
• 종단 간 응답을 나타내기 위해 모드 평균 전송 계수를 사용하여 다중 스위치 연결 성능을 특성화한다.
• 5개의 모드 그룹과 50GHz 채널 간격을 가진 점진적 인덱스 섬유 시스템을 시뮬레이션하여 성능 변동을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모드 간섭과 모드 결합은 MDM 시스템의 WSS 전달대역 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 여러 모드가 동시에 자극되었을 때 WSS의 중심 주파수 이동과 대역폭 변화의 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 모드 결합 행렬을 사용하여 MDM WSS에서 최악의 경우와 최선의 전송 시나리오를 식별할 수 있는가?
• RQ4 강한 모드 결합과 다중 스위치 연결이 있는 시스템에서, 모드 의존성 효과로 인해 종단 간 응답이 단일 모드 행동과 얼마나 다를 수 있는가?
• RQ5 강한 결합이 있는 MDM 환경에서 모드 평균 전송 계수로 전체 시스템 성능을 정확하게 대표할 수 있는가?

주요 결과

• 50GHz 간격의 5개 모드 그룹을 가진 다중 모드 시스템에서, WSS 전달대역의 한쪽 방향 대역폭은 최대 ±3.6GHz까지 모드 결합으로 인해 변동할 수 있다.
• 여러 모드가 존재할 경우 간섭으로 인해 전달대역 중심 주파수가 이동하고 대역폭이 변화하여 단일 모드 행동과 크게 다를 수 있다.
• 모드 결합 행렬을 통해 가장 좁은 또는 넓은 대역폭과 가장 큰 중심 주파수 이동을 보이는 혼합 모드를 식별할 수 있다.
• 전달 및 결합 계수는 모드에 따라 달라지며, 다중 모드 자극 조건에서는 모든 모드에 대해 일정하다고 가정할 수 없다.
• 강한 모드 결합과 다중 스위치 연결이 있는 시스템에서는 각 스위치의 종단 간 응답을 모드 평균 전송 계수로 가장 잘 특성화할 수 있다.
• MDM 시스템의 WSS 설계는 신호 무결성을 유지하고 성능 저하를 방지하기 위해 모드 의존성 효과를 반드시 고려해야 한다.