1. Pengenalan
Ethernet optik, yang diseragamkan oleh IEEE [1] atau beberapa perjanjian pelbagai sumber (MSA) [2]-[4], digunakan untuk membina rangkaian komunikasi intra dan antara pusat data. Piawaian Ethernet optik diperlukan untuk menjadi kos yang berpatutan untuk kabel gentian optik berketumpatan tinggi. Teknik pemultipleksan pembahagian panjang gelombang kasar (CWDM) merupakan salah satu teknik WDM yang menggunakan panjang gelombang dengan jarak 20 nm. Transceiver optik yang menggunakan CWDM tidak memerlukan penyejuk Peltier untuk operasi laser yang stabil dan boleh memperkenalkan sumber cahaya tidak disejukkan kos rendah [5]-[9]. Fabrikasi berketepatan tinggi untuk pemultipleks panjang gelombang (MUX) menyebabkan peningkatan kos fabrikasi tidak diperlukan juga. Oleh itu, CWDM sesuai untuk bangunan sistem komunikasi optik yang murah. Atas sebab ini, sistem Ethernet optik, yang sepatutnya murah, menggunakan CWDM terutamanya.
Sehingga kini, piawaian 400 Gbps [10] berdasarkan CWDM telah direalisasikan dan digunakan dalam masyarakat kita. Selain itu, piawaian 800 Gbps [11] sedang dalam pertimbangan dan beberapa penyelidikan [12]-[14] ke arah merealisasikan piawaian 800 Gbps telah dilaporkan. Walau bagaimanapun, meningkatkan lagi bilangan panjang gelombang boleh menyebabkan masalah, seperti kehilangan perambatan pada panjang gelombang terpendek atau terpanjang dan jejak gergasi dan kerumitan MUX panjang gelombang. Oleh itu, teknik pemultipleksan lain, seperti pemultipleksan pembahagian mod (MDM) dan pemultipleksan pembahagian polarisasi (PDM), menjanjikan untuk mengembangkan kapasiti komunikasi tanpa mengubah bilangan panjang gelombang. Beberapa eksperimen penghantaran MDM [15]-[17] dan PDM [18], [19] telah dilaporkan setakat ini.
Mod MUX untuk merangsang mod pesanan tinggi individu ialah salah satu peranti kawalan mod yang penting untuk membina sistem penghantaran MDM. Sehingga kini, banyak mod MUX [20]-[25] telah dilaporkan berdasarkan fotonik silikon (SiP) yang sesuai untuk penyepaduan berketumpatan tinggi peranti optik dan fabrikasi kos rendah menggunakan faundri CMOS sedia ada. Selain itu, mod berasaskan SiP MUX juga digunakan sebagai komponen polarisasi MUX [26], [27] dan juga diperlukan untuk membina sistem penghantaran PDM.
O-band, yang termasuk panjang gelombang penyebaran sifar, digunakan dalam Ethernet optik. Peranti optik berasaskan O-band SiP lebih terjejas oleh ralat fabrikasi berbanding peranti optik berasaskan C-band SiP disebabkan oleh panjang gelombang yang pendek. Kemerosotan prestasi yang diperoleh daripada kesilapan fabrikasi menyebabkan hasil berkurangan dan kos fabrikasi meningkat. Kos fabrikasi yang semakin meningkat tidak boleh diterima untuk membina Ethernet optik. Oleh itu, mod O-band bertoleransi tinggi MUX adalah penting untuk merealisasikan Ethernet optik berdasarkan MDM-WDM.
Dalam kajian ini, kami baru mencadangkan mod silikon MUX berdasarkan pengganding tidak sensitif panjang gelombang tiga peringkat (3CWINC). Sebelum ini, kami secara eksperimen menunjukkan pembahagi mod boleh tala [28] berdasarkan WINC [29], [30] dan kesan termo-optik. Walaupun mod MUX berasaskan WINC mempunyai toleransi yang baik terhadap ralat fabrikasi, terdapat had kepada ralat fabrikasi yang dibenarkan. Untuk mengembangkan julat ralat fabrikasi yang dibenarkan, kami menetas teori reka bentuk baharu mod MUX berdasarkan 3CWINC. Kami secara numerik menunjukkan keunggulan 3CWINC, yang merupakan versi lanjutan WINC, dari segi toleransi fabrikasi dan mereka bentuk TE toleransi tinggi jalur-O\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX. TE yang direka\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX berdasarkan 3CWINC mempunyai transmisi tinggi lebih tinggi daripada 94.4% (\(-0.25\) dB) dalam jalur-O walaupun ralat fabrikasi lebar pandu gelombang berlaku.
2. WINC dan WINC tidak simetri
Dalam bahagian ini, kami menerangkan dua jenis WINC sebagai mukadimah kepada teori reka bentuk 3CWINC. Rajah 1 menunjukkan skema WINC. WINC terdiri daripada dua ADC dan kawasan pelarasan fasa relatif di antara mereka. Parameter WINC ialah ketinggian pandu gelombang \(h\), lebar pandu gelombang bas daripada \(w_{\text{bus},i}\) (\(i = 1\), 2), lebar pandu gelombang akses \(w_{\text{acc}}\), lebar ruang antara bas dan pandu gelombang akses jurang, panjang kawasan gandingan \(L_{\text{c},i}\) (\(i = 1\), 2), panjang pandu gelombang atas \(L\), dan panjang tambahan pandu gelombang bawah \(\Delta L\), masing-masing. Subskrip \(i\) menunjukkan nilai untuk \(i\)-th ADC. Kami menetapkan tiga parameter sebagai \(h = 220\) nm, \(w_{\text{acc}} = 400\) nm, dan \(\textit{gap} = 200\) n.
Dalam kertas ini, kami tidak mempertimbangkan kesan lenturan pandu gelombang bawah dan kami menilai pandu gelombang bawah dengan menganggapnya sebagai pandu gelombang lurus dengan panjang \(L +\Delta L\). Matriks penghantaran WINC diberikan seperti berikut:
\[\begin{equation*} \left[ \begin{array}{@{}c@{}} A_4\\ A_3 \end{array} \right]=\boldsymbol{T}_2 \begin{bmatrix} e^{-j{\beta_{\text{acc,r}}}(L+\Delta L)} & 0\\ 0 & e^{-j\int_0^L\beta_{\text{bus,r}}(z)dz} \end{bmatrix} \boldsymbol{T}_1\left[ \begin{array}{@{}c@{}} A_2\\ A_1 \end{array} \right] \tag{1} \end{equation*}\] |
di mana, \(A_j\), \(\boldsymbol{T}_i\), \(\beta_{\text{acc,r}}\), dan \(\beta_{\text{bus,r}}\) menandakan amplitud kompleks di pelabuhan \(j\) (\(j = 1\), 2, 3, 4), matriks penghantaran bagi \(i\)-th ADC (\(i = 1\), 2), pemalar perambatan mod asas yang merambat dalam pandu gelombang capaian di rantau pelarasan fasa relatif, dan pemalar perambatan mod tertib lebih tinggi yang merambat dalam pandu gelombang bas di rantau pelarasan fasa relatif. \(\boldsymbol{T}_i\) diberikan seperti berikut:
\[\begin{equation*} \boldsymbol{T}_i=\left[ \begin{array}{@{}cc@{}} \sqrt{1-C_i}e^{-j\left(\delta_iL_{\text{c},i}-\varphi_i\right)} & -j\sqrt{C_i}e^{-j{\delta_i}{L_{\text{c},i}}}\\ -j\sqrt{C_i}e^{j{\delta_i}{L_{\text{c},i}}}& \sqrt{1-C_i}e^{j\left(\delta_iL_{\text{c},i}-\varphi_i\right)} \end{array} \right] \tag{2} \end{equation*}\] |
di mana, \(C_i\) ialah nisbah gandingan bagi kawasan gandingan. \(C_i\), \(\delta_i\), dan \(\varphi_i\) diberikan seperti berikut:
\[\begin{equation*} C_i=\left(\frac{\kappa_i}{q_i}\right)^2\sin^2\left(q_iL_{\text{c},i}\right) \tag{3} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \delta_i=\frac{\left(\beta_{\text{bus},i}-\beta_{\text{acc},i}\right)}{2} \tag{4} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \varphi_i=\tan^{-1} \left\{\sqrt{1-\left(\frac{\kappa_i}{q_i}\right)^2} \frac{\sin\left(q_iL_{\text{c},i}\right)}{\cos\left(q_iL_{\text{c},i}\right)}\right\} \tag{5} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \kappa_i=\sqrt{q_i^2-\delta_i^2} \tag{6} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} q_i=\frac{\left(\beta_{\text{e},i}-\beta_{\text{o},i}\right)}{2} \tag{7} \end{equation*}\] |
di mana, \(\beta_{\text{acc},i}\), \(\beta_{\text{bus},i}\), \(\beta_{\text{e},i}\), dan \(\beta_{\text{o},i}\) menunjukkan pemalar perambatan mod asas yang merambat dalam pandu gelombang akses, mod tertib tinggi yang merambat dalam pandu gelombang bas, mod genap, dan mod ganjil rantau gandingan, masing-masing. Dengan menggantikan \(A_2 = 1\) and \(A_1 = 0\) ke dalam Persamaan. (1), kami memperoleh kuasa di Pelabuhan 3 \(T\) seperti berikut:
\[\begin{equation*} \begin{array}{@{}l@{}} T=\left|A_3\right|^2=C_1+C_2-2C_1C_2+2\\ \hphantom{T=\left|A_3\right|^2=} \sqrt{C_1C_2\left(1-C_1\right)\left(1-C_2\right)}\cos\Theta \end{array} \tag{8} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \begin{array}{@{}l@{}} \Theta=\beta_{\text{acc,r}}(L+\Delta L)-\beta_{\text{acc},1}L_{\text{c},1}\\ \hphantom{\Theta=}\displaystyle -\int_0^L\beta_{\text{bus,r}}(z)dz+\beta_{\text{bus},1}L_{\text{c},1} -\left(\varphi_1+\varphi_2\right) \end{array} . \tag{9} \end{equation*}\] |
Istilah fasa \(\Theta\) dalam Persamaan. (9) diselaraskan sewenang-wenangnya dengan menukar panjang fizikal \(L\) and \(\Delta L\).
Jika ADC2 sama dengan ADC1, Pers. (8) diubah suai seperti berikut
\[\begin{equation*} T_{\text{WINC}}=4C_1\left(1-C_1\right)\cos^2\left(\frac{\Theta}2\right). \tag{10} \end{equation*}\] |
\(T_{\text{WINC}}\) bermaksud kuasa pada Port 3 mod berasaskan WINC MUX. Apabila pembezaan daripada \(T_{\text{WINC}}\) berkenaan dengan nombor gelombang \(k\) adalah sifar, operasi tidak sensitif panjang gelombang dicapai. Secara konvensional, pengganding 3-dB padanan fasa digunakan sebagai komponen WINC [28]-[30]. Sama seperti kajian terdahulu, kami mereka bentuk TE berasaskan WINC\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX menggunakan pengganding 3-dB padanan fasa. Kami menggunakan analisis teori mod berganding (CMT) [29] untuk mereka bentuk ADC dan mod MUX. Parameter ADC yang direka bentuk ialah \(w_{\text{bus},i} = 824\) nm dan \(L_{\text{c},i} = 35.5\,\mu\)m (\(i = 1\), 2). \(w_{\text{bus},i}\) ditentukan supaya pemalar perambatan TE\(_1\) mod dalam pandu gelombang bas dan TE\(_0\) mod dalam pandu gelombang akses adalah sama dan \(L_{\text{c},i}\) ditentukan sebagai separuh daripada panjang gandingan pada 1300 nm, iaitu panjang gelombang tengah bagi jalur-O. Rajah 2 menunjukkan maksimum yang dikira \(T_{\text{WINC}}\) spektrum TE berasaskan WINC\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX yang terdiri daripada ADC yang direka bentuk di bawah keadaan fasa yang ideal \(\Theta = 0\) and \(C\) spektrum ADC yang direka.
Legenda angka menunjukkan nilai lebar yang berbeza-beza pandu gelombang silikon disebabkan oleh kesilapan fabrikasi. Nilai ralat fabrikasi ditentukan berdasarkan kajian lepas [31]. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, maksimum \(T_{\text{WINC}}\) nilai merosot kepada kurang daripada 75% apabila ralat fabrikasi berlaku. Prestasi ini ialah had teori TE berasaskan WINC\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX.
Jika ADC2 berbeza daripada ADC1, kita boleh mengubah suai Pers. (8) dengan memperkenalkan penjumlahan nisbah gandingan dua ADC \(S\) (\(= C_1 + C_2\)) seperti berikut
\[\begin{equation*} \begin{array}{@{}l@{}} T=S-2C_1\left(S-C_1\right)\\ \hphantom{T=} +2\sqrt{C_1\left(S-C_1\right)\left(1-C_1\right) \left(1-S+C_1\right)}\cos\Theta \end{array} . \tag{11} \end{equation*}\] |
Untuk mencapai 100% pemultipleksan, \(S\) mestilah 1. Bila \(S\) ialah 1, Pers. (11) diubah suai seperti berikut
\[\begin{equation*} \left.T_{\text{AWINC}}\right|_{S=1}=1-4C_1\left(1-C_1\right)\sin^2 \left(\frac{\Theta}{2}\right). \tag{12} \end{equation*}\] |
Dalam kertas ini, kami menamakan WINC yang terdiri daripada dua ADC berbeza sebagai WINC asimetri (AWINC). \(T_{\text{AWINC}}\) dalam Pers. (12) bermaksud kuasa pada Port 3 mod berasaskan AWINC MUX. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, jika \(dT_{\text{AWINC}}/dk\) and \(\Theta\) adalah sifar, operasi pemultipleksan 100% tidak sensitif panjang gelombang dicapai. Untuk mereka bentuk TE berasaskan AWINC\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX, kami mereka bentuk sepasang TE\(_0\)-TE\(_1\) ADC untuk dibuat \(S\) sehampir 1 yang mungkin walaupun ralat fabrikasi berlaku. Hasil daripada analisis CMT kekerasan dalam julat 800-848 nm untuk \(w_{\text{bus},i}\) dan 20-50 \(\mu\)m untuk \(L_{\text{c},i}\), kami menentukan parameter sebagai \(w_{\text{bus},1} = 824\) nm, \(L_{\text{c},1} = 54.5\,\mu\)m, \(w_{\text{bus},2} = 816\) nm, dan \(L_{\text{c},2} = 92.0\,\mu\)m, masing-masing. Rajah 3 menunjukkan pengiraan \(C_i\) spektrum dan \(S\) spektrum reka bentuk sepasang ADC.
Apabila lebar pandu gelombang bertambah sebanyak 10 nm, \(S\) menurun kepada 64.5% pada 1270 nm. Rajah 4 menunjukkan maksimum yang dikira \(T_{\text{AWINC}}\) spektrum TE berasaskan AWINC\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX yang terdiri daripada ADC yang direka bentuk di bawah keadaan fasa yang ideal \(\Theta = 0\).
Rajah 4 Maksimum yang dikira \(T_{\text{AWINC}}\) spektrum TE berasaskan AWINC\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX yang terdiri daripada ADC yang direka bentuk di bawah keadaan fasa yang ideal \(\Theta = 0\). |
Paling teruk \(T_{\text{AWINC}}\) ialah 84.9% pada 1270 nm apabila lebar pandu gelombang meningkat sebanyak 10 nm. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 2 dan 4, dua jenis WINC tidak dapat mengekalkan transmisi tinggi apabila ralat fabrikasi berlaku.
Untuk mengatasi had teori WINC dan AWINC ini, kami mencadangkan mod berasaskan 3CWINC MUX yang diterangkan dalam bahagian seterusnya.
3. WINC berlatarkan tiga peringkat
Dalam bahagian ini, kami menerangkan teori reka bentuk mod berasaskan 3CWINC MUX. Rajah 5 menunjukkan skematik 3CWINC.
Mod MUX ini terdiri daripada tiga ADC yang serupa dan dua kawasan pelarasan fasa relatif berbeza antara ADC pertama dan ADC kedua dan antara ADC kedua dan ADC ketiga. Dua pemanas diletakkan pada pandu gelombang bawah digunakan untuk menala penghantaran selepas fabrikasi. Parameter \(h\), \(w_{\text{acc}}\), dan jurang adalah sama seperti WINC dan AWINC. Parameter selebihnya 3CWINC ialah lebar pandu gelombang bas \(w_{\text{bus}}\), panjang kawasan gandingan \(L_{\text{c}}\), panjang pandu gelombang atas \(L_i\), dan panjang tambahan pandu gelombang bawah \(\Delta L_i\), masing-masing. Subskrip \(i\) menunjukkan nilai untuk \(i\)-th (\(i = 1\), 2) rantau pelarasan fasa relatif.
Seperti yang dinyatakan dalam bahagian sebelumnya, apabila penjumlahan nisbah percabangan melalui dua ADC pertama dan nisbah gandingan ADC ketiga \(S_{\text{3CWINC}}\) ialah 1, 3CWINC boleh beroperasi sebagai mod MUX dengan penghantaran 100% di Port3 di bawah keadaan fasa yang ideal. Ungkapan bersyarat ini diberikan seperti berikut
\[\begin{equation*} S_{3\text{CWINC}}=\left\{4C(1-C)\right\}\cos^2\frac{\Theta_1}{2}+C=1 \tag{13} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \Theta_2=2n\pi(n\in \mathbb{Z}) \tag{14} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \begin{array}{@{}l@{}} \Theta_i=\beta_{\text{acc}}\left(L_i+\Delta L_i-L_c\right)\\ \hphantom{\Theta_i=} -\beta_{\text{bus}}\left(L_i-L_{\text{c}}\right)-2\varphi \end{array} \tag{15} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \varphi=\tan^{-1} \left\{\sqrt{1-\left(\frac{\kappa}{q}\right)^2} \frac{\sin\left(qL_{\text{c}}\right)}{\cos\left(qL_{\text{c}}\right)}\right\} \tag{16} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \kappa =\sqrt{q^2-\delta^2} \tag{17} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} \delta =\frac{\left(\beta_{\text{bus}}-\beta_{\text{acc}}\right)}{2} \tag{18} \end{equation*}\] |
\[\begin{equation*} q=\frac{\left(\beta_{\text{e}}-\beta_{\text{o}}\right)}{2}. \tag{19} \end{equation*}\] |
Di mana, \(C\) and \(\Theta_i\) ialah nisbah gandingan tiga ADC yang sama dan jangka fasa bagi \(i\)-th (\(i = 1\), 2) kawasan pelarasan fasa relatif. \(\beta_{\text{acc}}\), \(\beta_{\text{bus}}\), \(\beta_{\text{e}}\), dan \(\beta_{\text{o}}\) menunjukkan pemalar perambatan mod asas yang merambat dalam pandu gelombang akses, mod peringkat tinggi yang merambat dalam pandu gelombang bas, mod genap, dan mod ganjil rantau gandingan, masing-masing. Syarat ini sentiasa dipenuhi dengan melaraskan terma fasa \(\Theta_i\) if \(C\) ialah 25% atau lebih tinggi. Ini bermakna keperluan prestasi yang mesti dipenuhi oleh ADC adalah santai.
Pertama, kami mereka bentuk MUX mod berasaskan 3CWINC tanpa mengambil kira ralat fabrikasi. Sebagai komponen MUX mod berasaskan 3CWINC, kami menggunakan ADC padanan fasa terpendek yang mempunyai penghantaran 25% atau lebih tinggi dalam jalur O. Sebab untuk menggunakan ADC terpendek dibincangkan kemudian. Parameter bagi ADC padanan fasa terpendek ialah \(w_{\text{bus}} = 824\) nm dan \(L_{\text{c}} = 29.0\,\mu\)m. Parameter selebihnya untuk mereka bentuk 3CWINC ialah \(L_i\) and \(\Delta L_i\). Julat daripada \(\Delta L_i\) dihadkan oleh panjang \(L_i\) kerana pandu gelombang yang lebih rendah dilaksanakan oleh pandu gelombang S-bend. Kami tetapkan \(L_1\) and \(L_2\) untuk 25\(\mu\)m untuk memastikan julat yang mencukupi \(\Delta L_i\) untuk pelarasan sewenang-wenangnya \(\Theta i\). Kami tentukan \(\Delta L_1\) and \(\Delta L_2\) sebagai 1.11 \(\mu\)m dan 1.42 \(\mu\)m, masing-masing, dengan analisis CMT kekerasan. Rajah 6 menunjukkan pengiraan \(C\) spektrum ADC dipadankan fasa terpendek dan \(T_{\text{3CWINC}}\) spektrum mod reka bentuk MUX.
Rajah 6 Yang dikira \(C\) spektrum ADC dipadankan fasa terpendek dan \(T_{\text{3CWINC}}\) spektrum mod reka bentuk MUX. |
Paling teruk \(T_{\text{3CWINC}}\) ialah 91.4% pada 1270 nm. Kerana keadaan fasa yang diperlukan ideal \(\Theta_1\) and \(\Theta_2\) tidak berpuas hati dengan sempurna pada semua panjang gelombang secara serentak, yang dikira \(T\) bagi setiap panjang gelombang bukan 100%. Untuk mengesahkan kesahihan reka bentuk berasaskan CMT kami bagi 3CWINC, kami menganalisis mod reka bentuk MUX menggunakan analisis 3DVFEM [32]. Kami memilih ADC terpendek untuk mengurangkan kos pengiraan. Apabila mereka bentuk berdasarkan analisis CMT, kami tidak mempertimbangkan pandu gelombang lentur 90 darjah, yang mempunyai 5 \(\mu\)jejari lentur m, diletakkan di tepi pandu gelombang akses ADC. Oleh itu, kami menyesuaikan diri \(L_{\text{c}}\), \(\Delta L_1\), dan \(\Delta L_2\) untuk 28.0 \(\mu\)m dari 29.0 \(\mu\)m, 1.13 \(\mu\)m dari 1.11 \(\mu\)m, dan 1.40 \(\mu\)m dari 1.25 \(\mu\)m, masing-masing, dengan mempertimbangkan gandingan tambahan di rantau pandu gelombang lentur berdasarkan analisis 3DVFEM. Rajah 7 menunjukkan pengiraan \(T_{\text{3CWINC}}\) spektrum TE\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX berdasarkan analisis CMT dan analisis 3DVFEM.
Rajah 7 Yang dikira \(T_{\text{3CWINC}}\) spektrum TE\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX berdasarkan analisis CMT dan analisis 3DVFEM. |
Dua dikira \(T_{\text{3CWINC}}\) spektrum adalah dalam persetujuan yang baik antara satu sama lain. Rajah 8 menunjukkan taburan medan bagi nilai mutlak medan magnet dalam \(y\) arah berdasarkan analisis 3DVFEM apabila memasukkan TE\(_0\) mod dari Port2 pada panjang gelombang 1290 nm.
Rajah 8 Taburan medan nilai mutlak bagi \(H_y\) berdasarkan analisis 3DVFEM apabila memasukkan TE\(_0\) mod dari Port2 pada panjang gelombang 1290 nm. |
Melalui mod berasaskan 3CWINC MUX, TE\(_0\) input mod dari Port2 digandingkan sebagai TE\(_1\) mod dalam pandu gelombang bas. Daripada keputusan ini, kesahihan reka bentuk berasaskan CMT kami bagi 3CWINC telah dibuktikan.
Untuk merealisasikan mod toleransi tinggi MUX, kami mereka bentuk ADC yang boleh mengekalkan transmisi 25% atau lebih tinggi walaupun apabila ralat fabrikasi lebar pandu gelombang berlaku. ADC direka bentuk untuk meminimumkan pergantungan panjang gelombang dan memenuhi syarat nisbah gandingan walaupun ralat fabrikasi berlaku berdasarkan analisis CMT. Hasil daripada analisis CMT kekerasan dalam julat 800-824 nm untuk \(w_{\text{bus}}\) dan 10-40 \(\mu\)m untuk \(L_{\text{c}}\), kami tentukan \(w_{\text{bus}} = 819\) nm dan \(L_{\text{c}} = 31.2\,\mu\)m. Rajah 9 menunjukkan pengiraan \(C\) spektrum TE yang direka\(_0\)-TE\(_1\) ADC. Legenda angka menunjukkan nilai lebar yang berbeza-beza pandu gelombang silikon disebabkan oleh kesilapan fabrikasi.
Semua \(C\) spektrum dengan setiap ralat fabrikasi adalah lebih tinggi daripada 25%. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah ini, ADC yang direka bentuk sesuai untuk mod MUX berasaskan 3CWINC bertoleransi tinggi.
Kami mereka TE\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX menggunakan ADC ini. Ciri-ciri penghantaran mod berasaskan 3CWINC MUX boleh ditala dengan memanaskan dua pemanas selepas fabrikasi. Apabila mempertimbangkan penalaan oleh pemanas selepas fabrikasi, istilah fasa \(\Theta_i\) diubahsuai seperti berikut:
\[\begin{equation*} \begin{array}{@{}l@{}} \Theta_i=\beta_{\text{acc}}\left(L_i+\Delta L_i-L_{\text{c}}\right)-\beta_{\text{bus}} \left(L_i-L_{\text{c}}\right)\\ \hphantom{\Theta_i=} -2\varphi +\Delta\beta_{\text{acc}}\left(L_i+\Delta L_i\right) \end{array} \tag{20} \end{equation*}\] |
di mana, \(\Delta\beta_{\text{acc}}\) menunjukkan jumlah pemalar perambatan yang semakin meningkat dengan memanaskan pandu gelombang akses. Perbezaan istilah fasa daripada keadaan ideal yang diperoleh daripada ralat fabrikasi boleh ditala dengan penalaan \(\Delta\beta_{\text{acc}}\) selepas fabrikasi. Kami mereka bentuk parameter mod MUX atas premis bahawa penghantaran akan dilaraskan kepada prestasi terbaik dengan memanaskan daripada dua pemanas selepas fabrikasi tanpa mengira ralat fabrikasi yang berlaku. Kami merancang \(L_i\), \(\Delta L_i\), dan \(\Delta K_i\) dalam lingkungan 50-80 \(\mu\)m, 1.0-3.0 \(\mu\)m, dan 0-90 K berdasarkan analisis CMT kekerasan. \(\Delta K_i\) menunjukkan jumlah peningkatan suhu \(i\)-th (\(i = 1\), 2) pandu gelombang yang lebih rendah dengan memanaskan setiap satu \(i\)-pemanas ke-. Had atas yang digunakan \(\Delta K_i\) ialah 90 K berdasarkan kajian terdahulu kami [28]. Pemalar termooptik silikon ialah \(1.86 \times 10^{-4}\) K\(^{-1}\) [33]. Perubahan dalam indeks biasan pelapisan silika dengan pemanasan tidak dipertimbangkan dalam kertas ini. Kami tentukan \(L_1 = 55.0\,\mu\)m, \(L_2 = 80.0\,\mu\)m, \(\Delta L_1 = 1.4\,\mu\)m, dan \(\Delta L_2 = 1.0\,\mu\)m hasil daripada analisis CMT kekerasan. Rajah 10 menunjukkan pengiraan \(T_{\text{3CWINC}}\) spektrum TE toleransi tinggi yang direka bentuk\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX dengan pemanasan yang sesuai.
Rajah 10 Yang dikira \(T_{\text{3CWINC}}\) spektrum TE toleransi tinggi yang direka bentuk\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX dengan pemanasan yang sesuai. |
TE bertoleransi tinggi yang direka\(_0\)-TE\(_1\) mod MUX boleh mengekalkan transmisi yang sangat tinggi lebih tinggi daripada 94.4% (\(-0.25\) dB) dengan pemanasan yang sesuai. Ini adalah prestasi yang sangat tinggi yang melebihi had teori mod MUX berdasarkan dua jenis WINC.
4. Kesimpulan
Kami mencadangkan dan menunjukkan secara numerik pemultipleks mod silikon berdasarkan 3CWINC. Mod O-band berasaskan 3CWINC MUX mempunyai toleransi yang tinggi dan pergantungan panjang gelombang kecil yang melebihi had teori WINC- dan mod berasaskan AWINC MUX. Walaupun ralat lebar pandu gelombang fabrikasi berlaku sehingga 10 nm, TE\(_0\)-TE\(_1\) Mod O-band MUX berdasarkan 3CWINC boleh mengekalkan 94.4% (\(-0.25\) dB) atau penghantaran yang lebih tinggi. Mod MUX berasaskan 3CWINC yang dicadangkan sesuai untuk penghantaran MDM jalur panjang gelombang pendek seperti jalur O yang mempunyai toleransi yang rendah terhadap ralat fabrikasi.
Penghargaan
Penyelidikan ini disokong oleh Geran JSPS KAKENHI Nombor 22KJ0053.
Rujukan
[1] IEEE SA (2023) https://standards.ieee.org
URL
[2] CWDM4 MSA (2014) https://cwdmr-msa.org
URL
[3] OSFP (2021) https://osfpmsa.org
URL
[4] SNIA SFF Specifications (2023) https://www.snia.org
URL
[5] T. Nakajima, et al.: “25.8 Gbps error free transmission over 10 km at wavelengths from 1271 to 1331 nm by uncooled (25 to 85℃) directly modulated DFB lasers for 100G-CWDM4,” Proc. OFC (2015) Th1G.6 (DOI: 10.1364/ofc.2015.th1g.6).
CrossRef
[6] H. Yu, et al.: “100 Gbps CWDM4 silicon photonics transmitter for 5G applications,” Proc. OFC (2019) W3E.4 (DOI: 10.1364/ofc.2019.w3e.4).
CrossRef
[7] L. Lu, et al.: “Four channel DFB laser array based on the reconstruction-equivalent-chirp technique for 1.3 μm CWDM systems,” Proc. OFC (2013) JTh2A.29 (DOI: 10.1364/nfoec.2013.jth2a.29).
CrossRef
[8] K. Tsuruoka, et al.: “Four-channel 10-Gb/s operation of AlGaInAs-MQW-BH-DFB-LD array for 1.3-μm CWDM systems,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 11 (2005) 1169 (DOI: 10.1109/JSTQE.2005.853844).
CrossRef
[9] M. Yamada, et al.: “1.3-μm GaInNAs VCSELs for 40-Gb/s CWDM systems,” Proc. LEOS (2005) 398 (DOI: 10.1109/LEOS.2005.1548046).
CrossRef
[10] 100GLambda MULTI-SOURCE AGREEMENT (2020) https://100glambda.com/
URL
[11] 800G Pluggable MSA (2023) https://www.800gmsa.com/
URL
[12] H. Zhang, et al.: “800 Gbit/s transmission over 1 km single-mode fiber using a four-channel silicon photonic transmitter,” Photon. Res. 8 (2020) 1776 (DOI: 10.1364/PRj396815).
CrossRef
[13] H. Li, et al.: “800G DR8 transceiver based on thin-film lithium niobate photonic integrated circuits,” European Conference on Optical Communication (2022) Th2F.4.
[14] Y. Wang, et al.: “A 224 Gb/s per channel PAM4 DR4-Tx optical sub-system based on Si micro-ring modulator with hybrid integrated laser and SOA,” IEEE Silicon Photonics Conference (2023) PD4 (DOI: 10.1109/siphotonics55903.2023.10141921).
CrossRef
[15] G. Rademacher, et al.: “High capacity transmission with few-mode fibers,” J. Lightw. Technol. 37 (2019) 425 (DOI: 10.1109/JLT.2018.2870038).
CrossRef
[16] Y. Tong, et al.: “Efficient mode multiplexer for few-mode fibers using integrated silicon-on-insulator waveguide grating coupler,” IEEE J. Quantum Electron. 56 (2020) 8400107 (DOI: 10.1109/JQE.2019.2950126).
CrossRef
[17] W. Shen, et al.: “Silicon-integrated dual-mode fiber-to-chip edge coupler for 2×100 Gbps/lambda MDM optical interconnection,” Opt. Express 28 (2020) 33254 (DOI: 10.1364/OE.408700).
CrossRef
[18] W. Gao, et al.: “Experimental demonstration of 448 Gb/s PS-PDM-PAM8 coherent transmission over multi-core fiber,” Opt. Fiber Technol. 69 (2022) 102849 (DOI: 10.1016/j.yofte.2022.102849).
CrossRef
[19] J. Zhang, et al.: “WDM transmission of single-carrier 120-GBd ETDM PDM-16QAM signals over 1200-km terrestrial fiber links,” J. Lightw. Technol. 35 (2017) 1033 (DOI: 10.1109/JLT.2017.2650139).
CrossRef
[20] T. Uematsu, et al.: “Design of a compact two-mode multi/demultiplexer consisting of multimode interference waveguides and a wavelength-insensitive phase shifter for mode-division multiplexing transmission,” J. Lightw. Technol. 30 (2012) 2421 (DOI: 10.1109/JLT.2012.2199961).
CrossRef
[21] D. Dai: “Silicon mode-(de)multiplexer for a hybrid multiplexing system to achieve ultrahigh capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrier light,” Proc. ACP (2012) Ath3B.3 (DOI: 10.1364/acpc.2012.ath3b.3).
CrossRef
[22] Y. Ding, et al.: “On-chip two-mode division multiplexing using tapered directional coupler-based mode multiplexer and demultiplexer,” Opt. Express 21 (2013) 10376 (DOI: 10.1364/OE.21.010376).
CrossRef
[23] D. Guo and T. Chu: “Silicon mode (de)multiplexers with parameters optimized using shortcuts to adiabaticity,” Opt. Express 25 (2017) 9160 (DOI: 10.1364/OE.25.009160).
CrossRef
[24] D. Dai, et al.: “10-channel mode (de)multiplexer with dual polarization,” Laser Photonics Rev. 12 (2017) 1700109 (DOI: 10.1002/lpor.201700109).
CrossRef
[25] Z. Wang, et al.: “Compact silicon three-mode multiplexer by refractive-index manipulation on a multi-mode interferometer,” Opt. Express 29 (2021) 13899 (DOI: 10.1364/OE.423973).
CrossRef
[26] W. Sacher, et al.: “Polarization rotator-splitters in standard active silicon photonics platforms,” Opt. Express 22 (2014) 13777 (DOI: 10.1364/OE.22.003777).
CrossRef
[27] H. Xu and Y. Shi: “Ultra-broadband silicon polarization splitter-rotator based on the multi-mode waveguide,” Opt. Express 25 (2017) 18485 (DOI: 10.1364/OE.25.018485).
CrossRef
[28] K. Nakamura, et al.: “Tunable broadband mode power dividers based on a wavelength-insensitive coupler using the thermo-optic effect for flexible modal power adjustment in a mode-division multiplexing network,” J. Opt. Soc. Am. B. 38 (2021) 946 (DOI: 10.1364/JOSAB.415499).
CrossRef
[29] S. Ohta, et al.: “Si-based Mach-Zehnder wavelength/mode multi/demultiplexer for a WDM/MDM transmission system,” Opt. Express 26 (2018) 15211 (DOI: 10.1364/OE.26.015211).
CrossRef
[30] M. Kudo, et al.: “A broadband mode divider with arbitrary branching ratio based on wavelength-insensitive coupler,” Proc. OFC (2019) Th2A.4 (DOI: 10.1364/ofc.2019.th2a.4).
CrossRef
[31] M.G. Saber, et al.: “CMOS compatible all-silicon TM pass polarizer based on highly doped silicon waveguide,” Opt. Express 26 (2018) 20878 (DOI: 10.1364/OE.26.020878).
CrossRef
[32] Y. Ishizaka, et al.: “Three-dimensional finite-element solutions for crossing slot-waveguides with finite core-height,” J. Light. Technol. 30 (2012) 3394 (DOI: 10.1109/JLT.2012.2217478).
CrossRef
[33] G. Cocorullo and I. Rendina: “Thermo-optical modulation at 1.5 μm in silicon etalon,” Electron. Lett. 28 (1992) 83 (DOI: 10.1049/el:19920051).
CrossRef
Pengarang
Kodai Nakamura
Graduate School of Information Science and Technology, Hokkaido University
Takanori Sato
Graduate School of Information Science and Technology, Hokkaido University
Kunimasa Saitoh
Graduate School of Information Science and Technology, Hokkaido University