[논문 리뷰] Silicon nanowire based exclusive-OR gate using nonlinear optics for 40Gb/s DPSK signals

F. Li, Trung D. Vo외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 13.

Photonic and Optical Devices인용 수 56

한 줄 요약

이 논문은 통합 광학 회로에서 고속 전기적 신호 처리를 위한 40Gb/s 차등 위상이동 키(Keying, DPSK) 신호를 처리하기 위해 실리콘 나노와이어에서의 네파람파면 혼합(FWM)을 이용한 전광학적 XOR 게이트를 제시한다. 오류 없는 작동을 달성하였으며, 비트 오류율 10⁻⁹에서 시스템 손실이 약 3.0 dB 및 약 4.3 dB로 나타나, 통합 광학 회로를 위한 고속·저전력 전광학 논리 기능을 입증한다.

ABSTRACT

We demonstrate an all-optical XOR logic function for 40Gb/s differential phase-shift keyed (DPSK) data signals in the C-band, based on four-wave mixing (FWM) in a silicon nanowire. Error-free operation with a system penalty of ~ 3.0dB and ~ 4.3dB at 10-9 BER is achieved.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 회로에서 전광학 신호 처리를 위한 고속 전광학 논리 게이트를 개발하기 위해.
• 실리콘 나노와이어 기반 비선형 광학을 이용해 40Gb/s 차등 위상이동 키(Keying, DPSK) 신호의 오류 없는 처리를 가능하게 하기 위해.
• 고용량 광통신 시스템에 실용적으로 구현하기 위해 낮은 시스템 손실을 달성하기 위해.
• 현대 광망에서 요구하는 데이터 전송 속도 수준에서 실리콘 나노와이어가 전광학 논리 기능을 수행할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 40Gb/s DPSK 신호에 대해 XOR 논리 연산을 수행하기 위해 실리콘 나노와이어에서의 네파람파면 혼합(FWM)을 활용한다.
• 높은 비선형 계수를 지닌 단일 모드 실리콘 나노와이어 웨이브가이드를 사용하여 FWM 효율을 향상시킨다.
• C밴드의 펌프 레이저를 사용하여 FWM를 통해 아이디어르 신호를 생성함으로써 파장 변환 및 논리 기능을 실현한다.
• 차등 위상이동 키(Keying, DPSK) 변조 형식을 처리할 수 있도록 시스템을 설계하여 신호 무결성을 유지한다.
• 웨이브가이드의 분산 및 입력 전력을 최적화하여 FWM 변환 효율을 극대화하고 교차 간섭을 최소화한다.
• 시스템 성능 평가를 위해 비트 오류율 10⁻⁹에서 오류 측정을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나노와이어 기반 FWM 장치가 40Gb/s DPSK 신호에 대해 오류 없는 XOR 논리 연산을 수행할 수 있는가?
• RQ2 목표 비트 오류율 10⁻⁹에서 전광학적 XOR 게이트의 시스템 손실은 얼마인가?
• RQ3 속도 및 전력 효율 측면에서 실리콘 나노와이어 XOR 게이트의 성능은 전통적인 전자 논리 게이트와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 실리콘 나노와이어 내의 비선형 상호작용이 고속 전광학 신호 처리를 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ5 고속 데이터 전송 및 위상 변조 조건 하에서 장치는 낮은 교차 간섭과 높은 확산비를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• XOR 게이트는 비트 오류율 10⁻⁹에서 약 3.0 dB의 시스템 손실을 기록하며 40Gb/s에서 오류 없는 작동을 달성한다.
• 동일한 비트 오류율에서 더 높은 시스템 손실 약 4.3 dB가 관찰되어 특정 조건 하에서 성능 저하가 발생함을 시사한다.
• 장치는 고속 광통신 시스템을 위한 실리콘 나노와이어 기반 전광학 논리 기능의 실현 가능성을 입증한다.
• 실리콘 나노와이어 내의 FWM 과정은 효율적인 파장 변환 및 논리 기능의 구현을 가능하게 한다.
• 결과는 실리콘 나노와이어가 현대 광망과 호환되는 데이터 전송 속도에서 비선형 광학 과정을 지원할 수 있음을 확인한다.
• 실험적 측정을 통해 시스템 성능가 검증되었으며, 실용적 구현에 있어 뛰어난 내구성을 보여준다.