[论文解读] Integrated switch for simultaneous mode-division multiplexing (MDM) and wavelength-division multiplexing (WDM)

Brian Stern, Xiaoliang Zhu+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2015

Optical Network Technologies参考文献 55被引用 3

一句话总结

本文提出了一种集成在硅芯片上的光子开关，通过使用单模组件独立路由空间模式，实现了模式分复用（MDM）与波分复用（WDM）的同步操作。该开关在同时路由四个10 Gbps信道时，实现了低于-20 dB的串串扰、误码率低于10⁻⁹，且功率代价低于2.4 dB，展示了高带宽片上光网络的可扩展解决方案。

ABSTRACT

Leveraging the spatial modes of multimode waveguides using mode-division multiplexing (MDM) on an integrated photonic chip allows unprecedented scaling of bandwidth density for on-chip communication. Switching channels between waveguides is critical for future scalable optical networks, but its implementation in multimode waveguides must address how to simultaneously control modes with vastly different optical properties. Here we present a platform for switching signals between multimode waveguides based on individually processing the spatial mode channels using single-mode elements. Using this wavelength-division multiplexing (WDM) compatible platform, we demonstrate a 1x2 multimode switch for a silicon chip which routes four data channels with low (

研究动机与目标

• 解决在多模波导中路由多个空间模式的同时保持信号完整性的挑战。
• 在单一光子平台上实现模式分复用（MDM）与波分复用（WDM）的同步操作。
• 设计一种可扩展的、低串串扰的开关架构，用于基于单个模式处理的片上光互连。
• 在单一集成器件中实现多信道的高速、低功耗和低误码率运行。

提出的方法

• 该开关采用一种通过单模波导组件独立处理每个空间模式的平台，以实现选择性路由。
• 通过为不同空间模式分配不同波长，实现与波分复用（WDM）的兼容性，以支持并行传输。
• 采用1×2开关配置，利用集成热光相位延迟器，路由四个数据信道（每根波导两个模式，每模式两个波长）。
• 该设计采用基于马赫-曾德尔干涉仪的架构，以实现低串串扰的模式特定开关控制。
• 每个信道分别路由后在输出端合并，最大限度减少模式间的干扰。
• 该系统在绝缘体上硅（SOI）平台上制造，支持CMOS兼容集成和高密度光子电路。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个集成开关能否在多模波导系统中以低串串扰同时管理多个空间模式和波长？
• RQ2 如何选择性地路由多模波导中的单个空间模式，同时保持信号质量？
• RQ3 当所有四个信道同时以10 Gbps速率路由时，串串扰和误码率性能如何？
• RQ4 与单信道操作相比，所有信道同时激活时引入的功率代价是多少？
• RQ5 该开关能否在可扩展的片上光子网络中保持低误码率和高带宽效率？

主要发现

• 所有四个信道的串串扰均低于-20 dB，表明空间模式之间具有良好的隔离性。
• 当单独以10 Gbps速率路由时，所有信道的误码率均低于10⁻⁹，证实了高信号完整性。
• 当单独路由时，每个信道的功率代价低于1.4 dB，表明信号退化程度较低。
• 当所有四个信道同时路由时，额外的功率代价低于2.4 dB，证明了其在多信道操作下的鲁棒性。
• 在满载条件下，系统仍保持低串串扰和低误码性能，验证了其在片上光开关中的可扩展性。
• 该平台实现了MDM与WDM的同步，为高带宽、低功耗的片上光互连提供了可行路径。