Система для модового и поляризационного (де)мультиплексирования данных на основе кремниевого матричного переключателя, записанного фемтосекундным лазером
Оригинал статьи: Handling mode and polarization in fiber by fs-laser inscribed (de)multiplexer and silicon switch array
Kang Li, Min Yang, Chengkun Cai, Xiaoping Cao, Guofeng Yan, Guangze Wu, Yuanjian Wan & Jian Wang
Адаптацию на русский язык подготовили: Пестерева Анна, Ромашова Василиса
Используемые сокращения:
КМОП-структура– комплиментарная структура металл-оксид-полупроводник
WDM – wavelength-division multiplexing - спектральное мультиплексирование
PDM – polarization-division multiplexing - мультиплексирование по поляризационным составляющим
EDFA – erbium-doped fiber amplifier - эрбиевые усилители
SDM – space-division multiplexing - пространственное мультиплексирование
MDM – mode-division multiplexing - модовое мультиплексирование
FMF – few-mode fiber – маломодовое волокно
M/PDM - mode/polarization-division multiplexing – модовое/поляризационное мультиплексирование
MMI – multimode interferometer – многомодовый интерферометр
PBS – polarization beam splitter - делитель поляризационных составляющих
AWG – arbitrary waveform generator - генератор сигналов произвольной формы
QPSK – quadrature phase shift keying - квадратурная фазовая модуляция
BER – bit-error rate - коэффициент битовых ошибок (вероятность ошибки на бит)
HD-FEC – hard-decision forward-error correction - упреждающая коррекция ошибок аппаратным кодированием
Введение
Развитие технологий динамического оптического переключения сыграло большую роль в снижении нагрузки на волоконно-оптические линии связи и центры обработки данных. Особенно много внимания привлекли матричные оптические переключатели NxN, состоящие из определенного количества базовых элементов 2х2 и перекрестий, которые показали себя как отличная альтернатива для создания гибких и энергосберегающих коммутационных систем. Более того, комплиментарные структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП-структуры), на основе которых можно создавать матричные переключатели, обладают явными преимуществами, такими как компактность и быстрое время переключения, что объясняет такой интерес к ним при создании высокоскоростных коммутационных систем.
При этом для того чтобы соответствовать требованиям постоянно развивающейся сферы оптических коммуникаций и обработки данных, большое количество новых технологий, таких как спектральное мультиплексирование (WDM), поляризационное мультиплексирование (PDM), эрбиевые усилители (EDFA), модуляция высшего порядка и когерентное детектирование, активно развиваются и используются в оптических коммуникациях для достижения большей эффективности. Аналогично используются и пространственное мультиплексирование (SDM) в оптических волокнах, в том числе в многосердцевинных волокнах, и модовое мультиплексирование (MDM) в маломодовых волокнах FMF, что также позволяет повысить эффективность системы. Для реализации вышеуказанных технологий в современных оптических коммуникационных системах для передачи сигнала используются оптические волокна и фотонно-интегральные чипы для обработки данных.
Ранее для модового (де)мультиплексирования использовались отдельные оптические элементы с выводом излучения во free-space, что являлось сложной, громоздкой и нестабильной системой. Недавно было предложено использовать модовые селективные разветвители, выполненные полностью из волокна, каплеры с вертикально ориентированной решеткой и фотонные фонари для модового (де)мультиплексирования, что позволило добиться впечатляющих результатов. Однако на данный момент не так много работ посвящено комбинированию маломодовых волокон FMF, компактных модовых (де)мультиплексоров и кремниевых чипов для создания системы коммуникаций fiber-chip-fiber (волокно-чип-волокно), предназначенной как для передачи, так и для обработки данных в многомодовом режиме. Поэтому актуальной задачей остается создание такой FMF-chip-FMF системы.
В этой статье продемонстрирована оптическая система FMF-chip-FMF для передачи и переключения сигнала на основе (де)мультиплексора и кремниевого матричного переключателя, записанного фемтосекундным лазером, для выполнения таких функций, как передача, (де)мультиплексирование, переключение и маршрутизация сигналов, разделенных по модовым или поляризационным составляющим. В данном случае переключение по модам/поляризациям между FMF и чипом осуществляется за счет 3D кремниевого чипа, который используется в качестве модового/поляризационного (де)мультиплексора (M/PDM). 2D кремниевый чип используется в качестве неблокирующего переключателя топологии NxN для выполнения функций переключения и маршрутизации
Устройство и реализация
Устройство
Концепция и принцип работы оптической системы FMF-chip-FMF для переключения по модовым и поляризационным составляющим представлены на Рисунке 1, на котором проиллюстрированы основные функции системы, такие как де(мультиплексирование) по модам/поляризациям, многопортовое переключение и маршрутизация.
Рисунок 1 – Концепция и принцип работы оптической системы на основе (де)мультиплексоров и матричного переключателя: a) Система FMF-chip-FMF для переключения по модам/состояниям поляризации имеет три основные функции: демультиплексирование по модам/поляризациям, многопортовое переключение/маршрутизация, мультиплексирование по модам/поляризациям; b, d) Поперечное сечение модовых/поляризационных (де)мультиплексоров с конфигурацией 1х2N, состоящих из кремниевых чипов и N штук делителей поляризационных составляющих PBS; c) Неблокирующий матричный переключатель с оптимизированной топологией 2N × 2N, состоящий из базовых элементов 2х2 и перекрестий. MUX – мультиплексор; DEMUX – демультиплексор; MZI – интерферометр Маха-Цендера; PBS – делитель поляризационных составляющих.
Волоконная линия передачи сигнала соединена с модовыми/поляризационными мультиплексорами (M/PDM), способными поддерживать N мод с линейной поляризацией (LP) и два состояния поляризации. Сначала в MDM 2хN модовых и поляризационных состояний преобразуются в две ортогональные LP01 моды и направляются по N выходным портам. После этого PDM делит две ортогональные LP01 моды на два канала. Затем при помощи контроллера поляризации происходят преобразования различных состояний поляризации в двух каналах в поляризацию одного типа. При этом 2xN модовых/поляризационных каналов способны передавать несколько сигналов.
Запись (де)мультиплексора при помощи фемтосекундного лазера
По сравнению с традиционными (де)мультиплексорами (например, фазовыми пластинками, пространственно-временными модуляторами) фотонный фонарь обладает определенными преимуществами, такими как компактность и экономичность для практического применения в многомодовых волоконно-оптических линиях связи. Для данной работы были выбраны три моды (LP01, LP11a, LP11b), которые рассматривались как различные ортогональные пространственные моды для обеспечения многомодовой передачи данных. Как показано на Рисунке 2а, фотонный фонарь изготовлен в виде чипа на стеклянной подложке размером 20х40х1 мм методом прямой записи фемтосекундным лазером.
Рисунок 2 – (Де)мультиплексор, записанный фемтосекундным лазером: a) Схема прямой записи (де)мультиплексора фемтосекундным лазером; b) Схематичное изображение и различные поперечные сечения фотонного фонаря; c) Профили распределения интенсивности для мод LP11a, LP11b и LP01.
Для формирования чипа использовался иттербиевый лазер с длиной волны излучения 1030 нм, частотой следования импульсов 200 кГц и длительностью импульсов 234 фс. Линейная щель длиной 300 нм и объектив используется для модификации и фокусировки лазерного пучка. Фемтосекундный лазер с энергией импульса 900 нДж изменяет показатель преломления кремниевого чипа с постоянной скоростью 0.2 мм/с. Разница в показателе преломления (∆n ≈ 0.3%) в кремниевом чипе способствует распространение света в волноводе. Запись волновода проводилась дважды для обеспечения гладкости и высокого контраста показателя преломления, что позволяет уменьшить потери в волноводе. Как показано на Рисунке 2b, у фотонного фонаря три входных одномодовых порта и один выходной многомодовый порт. Диаметры поперечных сечений одномодового и многомодового волноводов составляет 7 и 14 мкм соответственно. Расстояние между портами в одномодовом волноводе – 127 нм, согласно интерфейсу оптоволоконной матрицы, что позволяет нескольким модовым каналам работать одновременно. Соединение волокна и фотонного фонаря для ввода/вывода излучения осуществляется с торца (edge coupling). На Рисунке 3a представлено фото, сделанное в процессе изготовления фотонного фонаря в области размером 20x0.4 мм2. На Рисунке 3с представлены увеличенные изображения многомодового порта (I) и трех одномодовых портов (II).
Фотонный фонарь может быть поделен на две части. В первой части линейно выровненный массив из трех одномодовых волноводов равномерно преобразуется в треугольную структуру. Длины сторон такого треугольника составляют 40 мкм, что является достаточным расстоянием между волноводами для предотвращения связи между волноводами в этой части. Затем происходит сближение волноводов по различным трехмерным траекториям, в результате чего образуется треугольный выходной волновод. В процессе сближения волноводов излучение в трех портах может быть преобразовано и перераспределено за счет взаимодействия затухающих волн, образуя различные супермоды в многомодовом порте.
Согласно теории супермод, сформированное поле моды в многомодовом порте может быть модулировано путем изменения силы связи каждого волновода. Когда оптимальные параметры связи подобраны (расстояние между волноводами и длина связи), поле супермод может быть согласовано с LP полем моды в FMF, вследствие чего фотонный фонарь будет обладать модовой селективностью. Более того, благодаря независимости от поляризации фотонный фонарь может быть сделан в виде 6-канального гибридного M/PDM путем комбинирования с волоконными делителями поляризационных составляющих (PBS), как изображено на Рисунке 1а и с.
Рисунок 3 – (Де)мультиплексор, записанный фемтосекундным лазером, и кремниевый матричный переключатель: a) Процесс прямой записи (де)мультиплексного 3D кремниевого чипа фемтосекундным лазером; b) Изображение матричного переключателя, полученного стандартной техникой формирования комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП); c) Увеличенные изображения многомодового порта (I) и трех одномодовых портов (II) в чипе; d) Увеличенные изображения многомодового интерферометра (III), перекрестия (IV) и записанной решетки на чипе (V) для соединения с волокном вертикально.
Кремниевый матричный переключатель
В данной работе 2D неблокирующий кремниевый переключатель 6х6 используется для соединения 6-модовых/поляризационных каналов в FMF и выполняет функции 6-канального маршрутизатора и переключателей топологии 6х6.
Неблокирующий оптический переключатель подчиняется следующим правилам:
- Сигнал, подаваемый на вход любого порта, может быть перенаправлен на выход любого другого порта.
- Сигнал, подаваемый на вход любого порта, не может быть направлен на выход того же порта (разногласие выходных портов)
- Сигнал не должен входить и выходить с одного и того же порта (‘U” поворот)
- Любые внутренние связи между входом и выходом не должны блокировать возможные связи между оставшимися входами и выходами.
Стоит упомянуть, что используемый неблокирующий переключатель с топологией 6х6 (Рисунок 1с) обладает некоторыми преимуществами по сравнению с оптическими переключателями с традиционными топологиями 6х6 Бенеша и Шпанке-Бенеша. Неблокирующий переключатель с оптимизированной топологией 6х6 содержит лишь 12 базовых элементов емкости 2х2 и 3 перекрестия, что позволяет снизить уровень вносимых потерь. Базовый элемент 2х2 представляет собой интерферометр Маха-Цендера, который состоит из двух многомодовых интерферометров (MMI) 2x2 и фазовращателя. За счет термооптического эффекта состояние “Bar” (проходное/прямое соединение) и “Cross” (перекрестное соединение) в интерферометре Маха-Цендера могут переключаться благодаря тепловой настройке. Состояние “Bar” соответствует распространению сигнала по прямой, состояние “Cross” – перекрестному распространению сигнала. На кремниевых чипах могут быть вытравлены решетки для соединения с волокном вертикально (grating coupling). На Рисунке 3b приведено увеличенное под микроскопом изображение матричного переключателя 6х6, полученного при использовании стандартной техники формирования КМОП-структуры. На Рисунке 3d представлены увеличенные изображения MMI (III), перекрестия (IV) и записанной решетки (V) на чипе.
Результаты измерения выходных параметров системы и оценка эффективности
Рисунок 4 – Результаты измерения выходных параметров системы на основе FMF-chip-FMF: a-f) Спектры пропускания переключателя с топологией 6 × 6 при подаче сигнала на входные порты (a) I1, (b) I2, (c) I3, (d) I4, (e) I5, (f) I6 и регистрации сигнала из всех выходных портах одновременно; g) Зависимость пропускания интерферометра Маха-Цендера от тепловой мощности; h) Отклик переключения интерферометра Маха-Цендера в зависимости от теплового напряжения;. i, j) Нормированные матрицы перекрестных потерь систем с мультиплексированием и демультиплексированием по модам и 150-метровым FMF до и после кремниевого переключателя; k, l) Матрицы перекрестных потерь для различных модовых/поляризационных каналов всей системы FMF-chip-FMF при переключении и маршрутизации; k) При переключении (1−2, 2−4, 3−1, 4−3, 5−6, 6−5); l) При маршрутизации (1–1, 1–2, 1–3, 1–4, 1–5, 1–6).
Для оценки эффективности полученной системы были измерены некоторые выходные параметры и характеристики. Для этого M/PDM были соединены с 150-метровым FMF, образуя 6 входных и 6 выходных портов, соответствующие LP01x, LP01y, LPa11x, LPa11y, LPb11x и LPb11y модовым/поляризационным каналам соответственно. Излучение направлялось на входные порты по очереди один за другим, сигнал из 6 выходных портов измерялся одновременно. На Рисунке 4i и j приведены нормированные матрицы перекрестных потерь при переключении сигнала между различными портами для систем (де)мультиплексирования модовых каналов с 150-метровымы волокнами FMF до и после кремниевого переключателя соответственно. Стоит отметить, что вносимые потери относятся к общим потерям, включая соединение чипа с двумя входными и выходными портами. Показано, что обе модовые системы (де)мультиплексирования имеют вносимые потери менее 10 дБ и перекрестные потери менее 15 дБ, и работоспособность обеих систем почти одинаковая. В дальнейшем работоспособность может быть еще более улучшена за счет оптимизации технологии производства.
Оценка эффективности работы кремниевого матричного оптического переключателя может быть проведена путем измерения спектров пропускания. Для проведения эксперимента был использован широкополосный источник излучения. На Рисунке 4a-f представлены нормированные спектры пропускания оптического переключателя 6х6 для типичных состояний переключения (1-2, 2-4, 3-1, 4-3, 5-6, 6-5) с подачей сигнала в различные порты I1, I2, I3, I4, I5, I6 соответственно. Среднее значение перекрестных потерь между различными портами составило менее -20дБ, средние вносимые потери составили менее, чем 5 дБ.
Помимо вносимых потерь и перекрестных потерь, важными параметрами для оценки эффективности работы системы также являются потребляемая мощность и скорость переключения. На Рисунке 4g представлена зависимость пропускания системы от тепловой мощности для интерферометра Маха-Цендера в состоянии “Cross”. Когда значение тепловой мощности равно P1 = 12.61 мВт, интерферометр Маха-Цендера находится в состоянии “Bar”. Из-за фазовой ошибки при изготовлении интерферометр Маха-Цендера без подогрева не может находиться в состоянии “Cross”. В связи с этим для реализации оптической коммутации была выбрана тепловая мощность P2 = 28.09 мВт. Рисунок 4h показывает результаты измерений отклика переключения в зависимости от теплового напряжения, которое имеет время нарастания 26 мкс, и время спада переключения 29 мкс. Следовательно, времени менее 30 мкс достаточно для переключения системы из одного состояния в другое.
Рисунок 5 – Экспериментальная установка на основе системы FMF-chip-FMF для переключения по модам/поляризациям: a) Система FMF-chip-FMF; b) Излучатель; c) Приемник. ECL – лазер с внешним резонатором; WDM – спектральный мультиплексор; AWG – генератор сигналов произвольной формы; EDFA – эрбиевый усилитель; VOA – перестраиваемый оптический аттенюатор; Co. Rx. – когерентный приемник.
С целью продемонстрировать совместимость коммутационной системы со спектральным мультиплексированием была собрана экспериментальная установка, состоящая из излучателя, системы FMF-chip-FMF и приемника излучения (Рисунок 5). По аналогии с экспериментом, описанным выше, были также измерены выходные параметры системы при пропускании через систему высокоскоростных сигналов. Для проведения эксперимента были выбраны сигналы на 16 различных длинах волн, которые направлялись в систему одновременно.
Сигналы на 16 длинах волн в диапазоне от 1547.3 нм до 1558.9 нм с расстоянием между каналами 0.8 нм объединяются при помощи WDM (Рисунок 5b). Генератор сигналов произвольной формы AWG управляет оптическим I/Q модулятором, который преобразует излучение в QPSK сигнал (QPSK - квадратурная фазовая модуляция) со скоростью 30 ГБод. С помощью блока формирования сигналов модулированный сигнал делится на четный и нечетный каналы, в один из которых сигнал направляется с задержкой за счет 100-метрового одномодового волокна для декорреляции данных. Сигналы из обоих каналов объединяются в оптическом разветвителе с коэффициентом деления 50/50.
В схеме так же используются два эрбиевых усилителя для усиления сигнала. Усиленные сигналы в равной степени делятся на 6 сигналов, и создаются различные задержки сигналов за счет внедрения в установку оптических волокон разной длины. Затем эти 6 сигналов мультиплексируются при помощи кремниевого матричного мультиплексора в 6 различных линейно поляризованных LP мод и направляются в волокно FMF. В конце 150-метрового FMF используется линейный контроллер поляризации для компенсации перекрестных потерь, который в дальнейшем при улучшении системы может быть заменен на автоматический контроллер поляризации для адаптации системы к промышленным применениям. 6 LP мод, прошедшие по FMF, разделяются на 6 фундаментальных мод с помощью еще одного чипа-демультиплексора, после чего направляются в кремниевый матричный переключатель 6х6 (Рисунок 5а).
После прохождения через матричный переключатель сигналы мультиплексируются и затем снова демультиплексируются при прохождении через матричный мультиплексор, 150-метровое волокно FMF и демультиплексор. На выходе сигналы направляются на когерентный приемник излучения, как показано на Рисунке 5с.
На Рисунке 4k и l приведены результаты измерений перекрестных потерь всей системы FMF-chip-FMF при переключении (1−2, 2−4, 3−1, 4−3, 5−6, 6−5) и маршрутизации (1–1, 1–2, 1–3, 1–4, 1–5, 1–6) соответственно. Наибольшее значение перекрестных потерь составляет -12 дБ, что соответствует каналу с модами высшего порядка. Полные потери системы, включая потери на четырех 6х6 (де)мультиплексорах, матричном переключателе 6х6 и двух решетках, составляют около 34 дБ.
Более того, был измерен коэффициент битовых ошибок (вероятность ошибки на бит) BER для неблокирующего оптического переключателя 6х6. Был выбран канал с сигналом на длине волны 1550.30 нм. Входные (выходные) порты I(O)1, I(O)2, I(O)3, I(O)4, I(O)5, I(O)6 переключателя соединены с выходными (входными) портами демультиплексора (мультиплексора) LPb11x, LPb11y, LPa11x, LPa11y, LP01x и LP01y соответственно. Зависимость BER от отношения «оптический сигнал / шум» при переключении состояний 1–2, 2–4, 3–1, 4–3, 5–6, 6–5 (как показано на Рисунке 1с) представлены на Рисунке 6.
Рисунок 6 – Результаты измерений коэффициента битовых ошибок BER для переключателя 6х6 при переключении между портами a) 1−2, b) 2−4, c) 3−1, d) 4−3, e) 5−6, f) 6−5. Входные (выходные) порты I(O)1, I(O)2, I(O)3, I(O)4, I(O)5, I(O)6 переключателя связаны с выходными (входными) портами демультиплексора (мультиплексора) LPb11x, LPb11y, LPa11x, LPa11y, LP01x и LP01y соответственно.
Потери в отношении «сигнал/шум» для каждого из каналов при значении BER 3.8× 10–3 (пороговое значение при цифровой избыточности упреждающей коррекции ошибок аппаратным кодированием HD-FEC 7%) составляют примерно 2.8~3.8 дБ. На Рисунке 6 представлены диаграммы реализуемых состояний QPSK сигналов.
Как показано на Рисунке 6, для каналов с модами высшего порядка (LPa11 и LPb11) потери в отношении «сигнал-шум» составляют >3 дБ, в том числе считая перекрестные потери на модовом (де)мультиплексоре и FMF-chip-FMF, описанной выше.
Рисунок 7 – Результаты измерений BER для оптического маршрутизатора. a) Схема многопортового маршрутизатора. Маршруты b) 1−1 @1548.2 нм, c) 1−2 @1550.3 нм, d) 1−3 @1552.65 нм, e) 1−4 @1553.55 нм, f) 1−5 @1555.8 нм, g) 1−6 @1558.1 нм.
Также были измерены BER в многопортовом маршрутизаторе. Для каждого канала были выбраны различные длины волн для измерения BER с целью протестировать совместимость системы со спектральным мультиплексированием. На Рисунке 7 представлены результаты измерений BER в зависимости от отношения «сигнал/шум» для 6 маршрутов в многопортовой системе (1–1 @ 1548.2 нм, 1–2 @1550.3 нм, 1–3 @1552.65 нм, 1–4 @1553.55 нм, 1–5 @1555.8 нм, 1–6 @1558.1 нм). Наблюдаемые потери в отношении «сигнал/шум» при BER 3.8×10–3 (пороговое значение при 7% HD-FEC) составляют примерно 3~4.5 дБ. Аналогично для каналов с модами наименьшего порядка (LP01) наблюдаются сравнительно низкие потери в отношении «сигнал/шум» из-за низких перекрестных потерь и затухания. Также для каналов с некоторыми длинами волн удалось добиться значения BER меньше, чем 3.8×10–3, что свидетельствует о высокой эффективности спектрального мультиплексирования. Результаты, представленные на Рисунках 6 и 7, свидетельствуют об успешном исполнении системы с FMF, кремниевыми чипами-(де)мультиплексорами, записанными при помощи фемтосекундного лазера, и кремниевого матричного переключателя.
Выводы и заключение
В работе была продемонстрирована разработанная система для передачи и переключения по модам/поляризациям. Система состоит из двух отрезков 150-метровых FMF для передачи MDM сигналов, неблокирующего кремниевого матричного переключателя 6х6 и нескольких (де)мультиплексоров, записанных фемтосекундным лазером, для связи между волокном и кремниевым чипом. Система является многофункциональной и способна выполнять такие функции, как передача, (де)мультиплексирование, переключение и маршрутизация гибридных сигналов, разделенных по модам/поляризациям. Оптимизация топологии блокирующего переключателя 6х6 позволяет упростить конструкцию и уменьшить потери на чипе, и при внедрении в систему 6-канальных (де)мультиплексоров по модам/поляризациям уровень перекрестных потерь составляет менее -12 дБ при выполнении функций переключения и маршрутизации. Использование квадратурной фазовой модуляции для модуляции сигналов на 16 длинах волн показало, что система также совместима с мультиплексированием по длинам волн. Разработанная система может поспособствовать дальнейшему развитию оптических коммутационных сетей.
