[論文レビュー] Wavelength-Selective Switches for Mode-Division-Multiplexed Systems

Keang-Po Ho, Joseph M. Kahn+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2014

Optical Network Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、既存の単モードWSS設計をスケーリングすることで、モード多重光通信システム（MDM）向けの波長選択的スイッチ（WSS）を提案する。モード干渉によりモード依存の伝送および結合係数が生じ、中心周波数のシフトや帯域幅の変動が生じることを示しており、勾配インデックスファイバで5つのモードグループと50-GHz間隔を想定した場合、その変動は最大±3.6 GHzに達する。一方、エンドツーエンドの性能はモード平均化伝送係数を用いて特徴づけられる。

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.

研究の動機と目的

• モード多重光通信システムにおけるモード依存クロストークおよび信号歪みの管理という課題に取り組む。
• 特定の波長におけるすべてのモードを1つのユニットとして扱う波長選択的スイッチ（WSS）を設計し、ポート数と複雑さを低減する。
• 特に強い結合を示すシステムにおいて、モード干渉およびモード結合がWSS性能に与える影響を特徴づける。
• モード結合行列を用いて、混合モード励起下での伝送および結合係数を計算するフレームワークを開発する。
• モード平均化伝送係数を用いて、直列に接続されたWSSネットワークのエンドツーエンドシステム応答をモデル化する。

提案手法

• 特定の波長におけるすべてのモードを1つのスイッチングユニットとして扱うことで、単モードシステムからのWSSアーキテクチャをMDMに適応する。
• 単一モードを励起した場合のモード依存伝送および結合係数を計算するために、モードクリッピングモデルを用いる。
• 混合モード励起を分析する際にモード結合行列を適用し、極端な帯域幅または中心周波数オフセットを示すケースを特定する。
• 複数モード入力における干渉効果をモデル化し、単一モード時とは異なり、パスバンド中心周波数および帯域幅が変化することを明らかにする。
• エンドツーエンド応答を表すために、モード平均化伝送係数を用いて直列スイッチの性能を特徴づける。
• 5つのモードグループと50-GHzチャネル間隔を有する勾配インデックスファイバーシステムをシミュレートし、性能変動を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モード干渉およびモード結合は、MDMシステムにおけるWSSのパスバンド特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 複数のモードが同時に励起された場合、WSSの中心周波数シフトおよび帯域幅変動はどの程度の範囲に達するか？
• RQ3 モード結合行列を用いることで、MDM WSSにおける最悪および最良の伝送状況をどのように特定できるか？
• RQ4 強いモード結合と複数の直列接続スイッチを有するシステムにおいて、エンドツーエンド応答が単一モード動作からどの程度ずれるか？
• RQ5 強いモード結合を示すMDM環境において、モード平均化伝送係数が全体のシステム性能を正確に表現できるか？

主な発見

• 50-GHzチャネル間隔を有する5モードグループMDMシステムでは、WSSパスバンドの片側帯域幅がモード結合のため最大±3.6 GHzまで変動しうる。
• 複数モードが存在する場合、干渉によりパスバンド中心周波数がシフトし、帯域幅が単一モード時の挙動とは著しく異なる。
• モード結合行列を用いることで、最も狭いまたは広い帯域幅、および最大の中心周波数オフセットを示す混合モードを特定可能である。
• 伝送および結合係数はモード依存であり、複数モード励起時にはすべてのモードで一定と仮定できない。
• 強いモード結合と複数の直列接続スイッチを有するシステムでは、1スイッチあたりのエンドツーエンド応答はモード平均化伝送係数によって最も適切に特徴づけられる。
• MDMシステム向けのWSS設計は、モード依存効果を考慮しなければ、信号整合性の維持および性能劣化の回避が困難である。