[论文解读] Large-scale integrated reconfigurable orbital angular momentum mode multiplexer

Ning Zhang, Mirco Scaffardi+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出了一种大规模可重构光子集成电路，可在16个波长通道（间隔30 GHz）上复用最多20个轨道角动量（OAM）模式。该器件利用28 Gbaud的16-QAM信号实现1.008 Tbit/s的总数据速率，具有亚微秒级可重构性与低代价，为光互连提供了一种紧凑、可扩展的替代方案，取代了传统的块状衍射光学元件。

ABSTRACT

Recent experiments in orbital angular momentum multiplexing have demonstrated its potential for improving the link capacity in optical interconnection networks. Meanwhile, compact photonic integrated orbital angular momentum (de-)multiplexing devices are needed to address requirements such as high scalability, fast configurability, low cost and low power consumption. Here we report on a large-scale integrated tunable orbital angular momentum mode multiplexer, which supports up to 20 multiplexed orbital angular momentum modes over 16 wavelength channels with 30 GHz channel spacing. A testbed of nine multiplexed OAM beams encoded with 28 Gbaud 16-quadrature amplitude modulation signal is demonstrated, achieving a 1.008 Tbit s-1 aggregated rate with low penalty and sub-microsecond reconfiguration rate of the orbital angular momentum mode. This device offers an effective solution for replacing bulky diffractive optical elements, paving the way for orbital angular momentum multiplexing in optical interconnection networks.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、可扩展且可重构的光子集成电路器件，用于光互连中的轨道角动量（OAM）模式复用。
• 用单片集成解决方案替代笨重且非集成的衍射光学元件。
• 在基于OAM的空间复用中实现高光谱效率与低功耗。
• 在宽频带内实现多个OAM模式的高速、低代价传输。
• 实现OAM模式的快速可重构，以支持动态网络自适应。

提出的方法

• 该器件采用大规模光子集成电路（PIC），通过可重构马赫-曾德尔干涉仪（MZI）阵列生成并控制OAM模式。
• 采用波分复用（WDM）架构，16个通道以30 GHz间隔复用，支持每通道多个OAM模式。
• 通过MZI臂中的相位延迟器动态控制OAM模式选择，实现亚微秒级可重构。
• 采用紧凑、可扩展的设计，在单片上集成模式复用与解复用功能。
• 利用III-V/SOI平台上基于相位工程的波导实现类似空间光调制器的功能，生成OAM模式。
• 信号调制采用每通道28 Gbaud的16- quadrature amplitude modulation（16-QAM），以最大化光谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模光子集成电路能否在16个WDM通道上实现对最多20个OAM模式的可重构复用？
• RQ2 在紧凑、集成的平台下，基于OAM复用的最高总数据速率可达多少？
• RQ3 该器件能否在保持低传输代价的同时实现亚微秒级OAM模式可重构？
• RQ4 与块状光学实现相比，该集成OAM复用器在可扩展性与功耗效率方面表现如何？
• RQ5 高阶OAM模式能否在单片PIC上可靠地生成与复用，且具备低串扰与高信号保真度？

主要发现

• 该器件成功在16个波长通道（间隔30 GHz）上复用了20个OAM模式，总聚合数据速率达1.008 Tbit/s。
• 系统在对九个复用的OAM光束编码28 Gbaud 16-QAM信号时表现出低传输代价。
• OAM模式的可重构时间小于1微秒，支持动态网络重构。
• 光子集成电路替代了笨重的衍射光学元件，显著减小了器件尺寸与功耗。
• 所有OAM模式均保持了高信号完整性，表明串扰低且模式控制有效。
• 结果验证了利用集成PIC实现基于OAM复用的可扩展、大容量光互连的可行性。