[论文解读] Chip-to-chip optical multimode communication with universal mode processors

Bo Wu, Wenkai Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2023

Optical Network TechnologiesEngineering参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于可编程4×4马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网络的通用模式处理器，实现可重构的、智能的芯片到芯片光多模通信系统。该系统支持准线性偏振（LP）模式与轨道角动量（OAM）模式的动态生成与复用，以25 Gbit/s速率传输，对串扰和环境扰动具有高鲁棒性，展示了可编程、通用的模式控制能力，适用于可扩展的多模光互连。

ABSTRACT

The increasing amount of data exchange requires higher-capacity optical communication links. Mode division multiplexing (MDM) is considered as a promising technology to support the higher data throughput. In an MDM system, the mode generator and sorter are the backbone. However, most of the current schemes lack the programmability and universality, which makes the MDM link susceptible to the mode crosstalk and environmental disturbances. In this paper, we propose an intelligent multimode optical communication link using universal mode processing (generation and sorting) chips. The mode processor consists of a programmable 4*4 Mach Zehnder interferometer (MZI) network and can be intelligently configured to generate or sort both quasi linearly polarized (LP) modes and orbital angular momentum (OAM) modes in any desired routing state. We experimentally establish a chip-to-chip MDM communication system. The mode basis can be freely switched between four LP modes and four OAM modes. We also demonstrate the multimode optical communication capability at a data rate of 25 Gbit/s. The proposed scheme shows significant advantages in terms of universality, intelligence, programmability and resistance to mode crosstalk, environmental disturbances and fabrication errors, demonstrating that the MZI-based reconfigurable mode processor chip has great potential in long-distance chip-to-chip multimode optical communication systems.

研究动机与目标

• 为解决现有芯片到芯片光通信中模式复用（MDM）系统缺乏可编程性与通用性的问题。
• 降低多模光互连中对模式串扰、环境波动及制造偏差的敏感性。
• 开发一种可重构的智能模式处理器，能够动态生成与排序LP与OAM模式。
• 展示一种完全集成的、基于芯片的MDM通信系统，具备高数据速率与强鲁棒性。

提出的方法

• 模式处理器实现为可编程的4×4马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网络，具备可调相移与可变耦合器。
• 通过软件配置MZI网络，实现任意输入模式到任意期望输出模式的路由，从而实现通用模式处理。
• 通过重新配置MZI的相位设置，系统可在四组LP模式与四组OAM模式之间切换。
• 将模式处理器集成到芯片到芯片的光互连链路中，发射端与接收端均在芯片上完成模式生成与排序。
• 系统采用数字控制接口，可动态重新配置MZI网络，以适应不同的模式基与路由状态。
• 实验设置验证了系统在模式切换过程中保持低串扰与高信号完整性的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一可重构的基于MZI的处理器能否以可编程方式生成并排序LP与OAM模式？
• RQ2 在不同模式基之间切换时，系统的串扰与信号完整性表现如何？
• RQ3 该处理器在多大程度上可减轻环境扰动与制造误差对模式保真度的影响？
• RQ4 在芯片到芯片的多模光互连中，采用通用模式处理可实现多高的数据速率？
• RQ5 该系统的可编程性在提升未来光互连可扩展性与适应性方面有何优势？

主要发现

• 系统成功实现了25 Gbit/s的芯片到芯片多模光通信，误码率较低。
• 通用模式处理器实现了在四组LP模式与四组OAM模式之间无需硬件重构的动态切换。
• 系统对模式串扰表现出高度鲁棒性，模式切换过程中信号衰减极小。
• 在环境扰动与制造引起的扰动下，基于MZI的处理器仍保持低串扰与高信号完整性。
• MZI网络的可编程特性支持模式路由的实时重新配置，实现了灵活且智能的多模操作。
• 结果证实，可重构的MZI芯片可作为可扩展、高容量光互连的通用平台。