[论文解读] Simultaneous Mode and Wavelength Division Multiplexing On-Chip

Lian-Wee Luo, Noam Ophir+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Optical Network Technologies参考文献 34被引用 10

一句话总结

本文首次在硅光子平台上实现了单片上同时进行模式分复用（MDM）和波分复用（WDM）的演示，实现了低串扰和低传播损耗。该方法通过在单个波导系统中同时利用空间模式和波长，实现了太比特每秒级的片上带宽扩展。

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.

研究动机与目标

• 为了解决在集成光子学中使用高阶模式进行复用时面临的高串扰挑战。
• 实现在单个芯片上同时使用多个空间模式和多个波长，以提高数据容量。
• 展示一种适用于超大带宽片上通信的实用、低损耗、低串扰片上复用方案。
• 验证在硅光子集成电路上结合MDM与WDM的可行性，以实现可扩展的光互连。

提出的方法

• 采用绝缘体上硅（SOI）平台制造支持多个空间模式和多个波长的光子集成电路。
• 利用绝热模式转换器和波长选择性滤波器设计并实现模式复用器与解复用器。
• 采用混合复用器架构，在单个波导结构中结合模式复用与波长效用。
• 通过精确控制波导几何形状和模式场重叠，实现低串扰。
• 结合光栅耦合器和片上探测器，实现端到端信号传输与检测。
• 通过多波长通道和高阶模式的光学表征，验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单个硅光子芯片上实现低串扰和低损耗的模式与波分复用并行？
• RQ2 在片上无显著串扰的前提下，可相干复用的空间模式数和波长数最大为多少？
• RQ3 在紧凑的集成平台上，串扰如何随模式阶数和波长间隔变化而变化？
• RQ4 所提出的架构能否在单个波导中支持太比特每秒级的数据速率？
• RQ5 实现低串扰的混合MDM-WDM集成电路上的关键设计约束是什么？

主要发现

• 系统实现了在单个芯片上同时复用最多四个空间模式和四个波长。
• 测得的模式间串扰低于 -20 dB，表明模式隔离效果良好。
• 所有模式和波长的传播损耗均低于每厘米3 dB。
• 与单模单波长工作相比，总数据速率提高了16倍（4个模式 × 4个波长）。
• 片上复用器与解复用器实现了高消光比和低插入损耗。
• 结果证实了在硅光子学中通过混合MDM-WDM实现片上光带宽扩展的可行性。