[论文解读] Silicon nanowire based exclusive-OR gate using nonlinear optics for 40Gb/s DPSK signals

F. Li, Trung D. Vo+8 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Photonic and Optical Devices被引用 56

一句话总结

本文提出一种基于硅纳米线中四波混频（FWM）的全光XOR门，用于处理40Gb/s差分相移键控（DPSK）信号。该系统在误码率为10⁻⁹时实现无误码操作，系统代价约为3.0 dB和~4.3 dB，展示了高速、低功耗的全光逻辑在集成光子电路中的应用。

ABSTRACT

We demonstrate an all-optical XOR logic function for 40Gb/s differential phase-shift keyed (DPSK) data signals in the C-band, based on four-wave mixing (FWM) in a silicon nanowire. Error-free operation with a system penalty of ~ 3.0dB and ~ 4.3dB at 10-9 BER is achieved.

研究动机与目标

• 开发一种用于集成光子电路中全光信号处理的高速全光逻辑门。
• 利用基于硅纳米线的非线性光学技术，实现40Gb/s差分相移键控（DPSK）信号的无误码处理。
• 实现低系统代价，以支持在大容量光通信系统中的实际部署。
• 证明硅纳米线作为平台在现代光网络相关数据速率下实现全光逻辑功能的可行性。

提出的方法

• 利用硅纳米线中的四波混频（FWM）对40Gb/s DPSK信号执行XOR逻辑运算。
• 采用具有高非线性系数的单模硅纳米线波导，以提高FWM效率。
• 使用C波段泵浦激光器通过FWM生成本振信号，实现波长转换和逻辑功能。
• 设计系统以支持差分相移键控（DPSK）调制格式，确保信号完整性。
• 优化波导色散和输入功率，以最大化FWM转换效率并最小化串串扰。
• 通过在10⁻⁹误码率下的误码测量评估系统性能和代价。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于硅纳米线的FWM器件能否在40Gb/s DPSK信号上实现无误码XOR逻辑运算？
• RQ2 在目标误码率10⁻⁹时，全光XOR门的系统代价是多少？
• RQ3 与传统电子逻辑门相比，硅纳米线XOR门在速度和功耗效率方面表现如何？
• RQ4 硅纳米线中的非线性相互作用在多大程度上支持高速全光信号处理？
• RQ5 在高数据速率和相位调制条件下，该器件能否保持低串扰和高消光比？

主要发现

• XOR门在40Gb/s速率下实现无误码操作，在10⁻⁹误码率时系统代价约为3.0 dB。
• 在相同误码率下观察到更高的系统代价约4.3 dB，表明在特定条件下性能有所下降。
• 该器件证明了利用硅纳米线实现全光逻辑在高速光通信系统中的可行性。
• 硅纳米线中的FWM过程可实现高效的波长转换和逻辑功能实现。
• 结果证实，硅纳米线可在与现代光网络兼容的数据速率下支持非线性光学过程。
• 通过实验测量验证了系统性能，表明其具备实际部署的鲁棒性。