Der vorgeschlagene ROADM ist sowohl mit Wellenlängenmultiplex- (WDM) als auch mit Modenmultiplex-Systemen (MDM) kompatibel. Im Gegensatz zu herkömmlichen ROADM-Bauelementen für WDM/MDM-Systeme ermöglicht unsere Innovation die simultane Rekonfiguration von Moden- und Wellenlängendimensionen über einen einzigen Add/Drop-Port. Die Einfügedämpfung der optischen Verbindungen, einschließlich Modenkopplungs- und Übersprechdämpfung, beträgt weniger als 7,0 dB, während das Übersprechen des Bauelements unter -13,4 dB liegt. Darüber hinaus kann jeder einzelne Add/Drop-Port des Bauelements mehrere Datensignale gleichzeitig auf eine einzige Buswellenform übertragen und ebnet so den Weg für potenzielle Anwendungen in zukünftigen Hochleistungsrechenzentren.
1. Einleitung
Die rasante Entwicklung von Supercomputing, Cloud-Diensten und dem Internet der Dinge (IoT) hat im letzten Jahrzehnt die optische Informationsverarbeitung auf Chips in eine Phase schnellen Wachstums geführt. Dieses Wachstum ist auf die überlegenen Vorteile der optischen Informationsverarbeitung gegenüber der traditionellen elektronischen Informationsverarbeitung zurückzuführen, wie z. B. höhere Bandbreite und Verarbeitungsgeschwindigkeit [1–4]. Um den steigenden Leistungsanforderungen optischer Netzwerke gerecht zu werden, wurden verschiedene Multiplexing-Technologien vorgeschlagen und experimentell demonstriert, um die Datenverarbeitungskapazität zu verbessern. Dazu gehören Wellenlängenmultiplex (WDM) [5–7], Polarisationsmultiplex (PDM) [8–10] und Modenmultiplex (MDM) [11–14]. Die MDM-Technologie hat dabei besonderes Interesse geweckt, da sie eine verbesserte optische Verbindungskapazität mit nur einer Laserquelle ermöglicht. Aktuell wurde ein Moden-(De)Multiplexer höherer Ordnung mit 16 Modenkanälen demonstriert [15], was bedeutet, dass die Verarbeitungskapazität der Geräte um das bis zu 16-Fache gegenüber einem Einzelmodenkanal gesteigert werden kann. Durch die Integration von MDM- und WDM-Technologie lässt sich die Anzahl der Datenkanäle in Buswellenleitern deutlich erhöhen. Zahlreiche optische On-Chip-Bauelemente für WDM-MDM-Systeme wurden bereits vorgeschlagen, darunter Wellenlängen-Moden-(De-)Multiplexer [16,17], Modenumschaltbauelemente [18,19] und Sender [20,21]. Mit der Weiterentwicklung und dem Ausbau von WDM-MDM-Systemen haben Forscher eine Vielzahl von Bauelementen zur Informationsverarbeitung in optischen WDM-MDM-Netzwerken entwickelt. Unter diesen Bauelementen zeichnet sich der rekonfigurierbare optische Add/Delete-Multiplexer (ROADM) durch seine Fähigkeit aus, Daten in Buswellenleitern zu laden und zu entladen, was für den Betrieb von WDM-MDM-Systemen von entscheidender Bedeutung ist.
Für MDM- und WDM-MDM-Systeme wurden bereits mehrere ROADMs vorgeschlagen und demonstriert [22–25]. Beispielsweise wurde ein ROADM-Typ entwickelt, der durch Umverteilung des Modenfelds einen effektiven selektiven Zugriff auf beliebige Moden-/Wellenlängenkanäle ermöglicht. Dieser ROADM kann Wellenlängen an einem einzigen Add/Delete-Port durch Steuerung der Resonanzwellenlänge der Mikroringschalter rekonfigurieren [26]. Für WDM-MDM-Systeme konnte jedoch keiner der bisher vorgeschlagenen ROADMs eine Rekonfigurierbarkeit sowohl in Wellenlängen- als auch in Modendimension an einem einzigen Add/Delete-Port erreichen. Mit zunehmender Kanalanzahl steigt die Anzahl der Add/Delete-Ports in den ROADMs unangemessen an, was zu einem komplexeren optischen Netzwerk führt. Daher ist die Rekonfigurierbarkeit sowohl in Wellenlängen- als auch in Modendimension an einem einzigen Upload/Download-Port unerlässlich.
In dieser Arbeit stellen wir ein ROADM für WDM-MDM-Systeme auf Basis der Silizium-auf-Isolator (SOI)-Plattform vor. Dieses zeichnet sich durch hervorragende Rekonfigurierbarkeit sowohl in Wellenlängen- als auch in Modendimensionen innerhalb eines einzigen Add/Delete-Ports aus. Darüber hinaus behebt das vorgeschlagene ROADM effektiv die Einschränkung, dass an einem Add/Delete-Port nur ein Kanal gleichzeitig gesendet oder empfangen werden kann. Als Machbarkeitsnachweis demonstrieren wir ein ROADM mit neun Datenkanälen (drei Wellenlängenkanäle und drei Modenkanäle) in einem Buswellenleiter. Durch Steuerung der Schaltmatrix können lokale Daten gleichzeitig über einen einzigen Add/Delete-Port auf drei Kanäle geladen werden, während der Download-Port die entsprechenden drei Kanäle herunterlädt. Die Einfügungsdämpfung (IL) der optischen Verbindung beträgt weniger als 7,0 dB und setzt sich hauptsächlich aus Modenkopplungs- und Übersprechverlusten zusammen. Zusätzlich ist das Übersprechen (CT) des gefertigten Bauelements besser als -13,4 dB. Das vorgeschlagene Bauelement bietet hervorragende Skalierbarkeit und Rekonfigurierbarkeit und ermöglicht es jedem Add/Delete-Kanal, mehrere Signale gleichzeitig herunter- und hochzuladen. Dadurch werden zukünftige Anforderungen an höhere Datenkapazität erfüllt.
2. Funktionsprinzip und Herstellung
Abbildung 1(a) zeigt das Schaltbild des vorgeschlagenen ROADM. Dieses besteht aus zwei Moden-(De-)Multiplexern (M-(DE)MUX) und einer n×n-Schaltmatrix auf Basis von Mikro-Ringresonatoren (MRR). Alle Komponenten und Wellenleiter sind für quasi-transversale elektrische Polarisation ausgelegt. Optische Signale werden beim Eintritt in den ROADM zunächst vom M-(DE)MUX in Einzelmoden-Wellenleiter demultiplext, bevor sie zur n×n-Schaltmatrix gelangen. Signale können über die Add-Ports (A1 bis An) oder Drop-Ports (D1 bis Dn) in die Schaltmatrix ein- oder ausgekoppelt werden. Nicht ein- oder ausgekoppelte optische Signale durchlaufen die Schaltmatrix direkt und kehren in den Multimode-Buswellenleiter zurück. Innerhalb der n×n-Schaltmatrix arbeitet jede Zeile (bzw. Spalte) der Mikro-Ringe bei unterschiedlichen Wellenlängen.
Abb. 1. (a) Schematische Darstellung des ROADM für WDM-MDM-Systeme, (b) mikroskopische Aufnahme des hergestellten ROADM-Bauteils.
Als Machbarkeitsnachweis präsentieren wir einen ROADM auf einer SOI-Plattform (siehe Abb. 1(b)). Das Bauelement wird auf einem SOI-Wafer mit einer 220 nm dicken Si-Deckschicht und einer 3 μm dicken, vergrabenen SiO₂-Schicht gefertigt. Die Abmessungen des Bauelements betragen 3 mm × 0,6 mm. Die Wellenleiter des Bauelements werden mittels Elektronenstrahllithographie (EBL) und induktiv gekoppeltem Plasmaätzen (ICP) hergestellt. Der Radius der Mikro-Ringwellenleiter im Schaltarray beträgt 10 μm, ebenso wie der Radius der übrigen gekrümmten Wellenleiter in den (DE)MUXen. Der M-(DE)MUX des Bauelements basiert auf asymmetrischen Richtkopplern (ADCs). Gemäß der Phasenanpassungsbedingung [27] beträgt der effektive Modenindex TE₀ in einem 0,45 μm breiten Einmodenwellenleiter etwa 2,36. Die Breiten der Multimode-Wellenleiter wurden daher auf 0,93 μm für die TE1-Modenkopplung und 1,41 μm für die TE2-Modenkopplung festgelegt. Der Kopplungsspalt des M-(DE)MUX wurde in dieser Arbeit auf 0,2 μm ausgelegt. Um die Modenkopplungseffizienz zu maximieren, wurden Kopplungslängen von 27 μm für TE1 und 34,5 μm für TE2 gewählt. Zwischen den Wellenleitern unterschiedlicher Breite wurde ein 150 μm langer adiabatischer Kegel entworfen, um das Übersprechen zwischen den Moden zu reduzieren. Im Schaltarray wurde der Kopplungsspalt zwischen den Mikro-Ringwellenleitern und den Grundmodenwellenleitern auf 0,15 μm eingestellt. Auf die Wellenleiter wurde eine 2 μm dicke SiO₂-Schicht als Isolierschicht aufgebracht. Zur Veränderung der Resonanzwellenlänge wird auf jeden MRR ein 100 nm dicker und 5 μm breiter Ti-Mikroheizer aufgebracht. Zwölf Gitterkoppler sind in die Portanschlüsse (einschließlich Additions-, Bypass-, Eingangs- und Ausgangsports) integriert, um die Kommunikation mit externen Geräten zu ermöglichen und optische Signalein- und -ausgabe zu gewährleisten.
Die Resonanzwellenlänge jedes MRR im Schaltarray lässt sich mithilfe des thermooptischen Effekts einstellen [28]. Wir verwenden λ1, λ2 und λ3, die als die drei Arbeitswellenlängen bezeichnet werden. Zur Vereinfachung bezeichnen wir den Kanal Cij (i = 0, 1, 2; j = 1, 2, 3) für den Wellenlängenkanal (λj) mit dem TEi-Modus. Durch Überwachung des Betriebszustands des Schaltarrays können die gewünschten Signale der verschiedenen Eingangskanäle Cij an den entsprechenden Ausgangsport Di (i = 1, 2, 3) abgegeben werden, wobei jeder Ausgangsport drei Kanäle ansteuern kann. Gleichzeitig können lokale Signale verschiedener Wellenlängenkanäle über die Summierports in das Schaltarray eingespeist und zusammen mit anderen Eingangssignalen über den M-MUX auf den Ausgangsbus-Wellenleiter gemultiplext werden. Jeder Aggregationsanschluss Ai (i = 1, 2, 3) kann lokale Signale zu drei Kanälen auf dem Buswellenleiter hinzufügen, sodass alle Kanäle auf dem Buswellenleiter über diese drei Aggregationsanschlüsse belegt werden können.
Um die Funktionsweise dieses Geräts zu veranschaulichen, zeigen wir ein funktionierendes Wellenlängenzuordnungsschema für das Schaltarray. Das Wellenlängenzuordnungsschema und die Funktionen der verschiedenen Schalteinheiten im Schaltarray sind in Tabelle 1 dargestellt. Jeder MRR kann den entsprechenden Kanal Cij (i = 0, 1, 2; j = 1, 2, 3) hinzufügen oder entfernen. In Kombination mit Abb. 1 wird deutlich, dass die MRRs in jeder Zeile und Spalte des Schaltarrays mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten. Dieses Wellenlängenzuordnungsschema ermöglicht es jedem Additionsanschluss, drei verschiedene Kanalsignale zum Ausgangsbuswellenleiter hinzuzufügen, und jedem Entfernungsanschluss, gleichzeitig drei entsprechende Kanalsignale aus dem Buswellenleiter zu entfernen. Am Beispiel der Anschlüsse A1 und D1 lässt sich zeigen, dass, wenn die MRRs R1, R4 und R7 auf ihren jeweiligen Betriebswellenlängen arbeiten, die Signale von Kanal λ1 zu Kanal C21, die Signale von Kanal λ2 zu Kanal C12 und die Signale von Kanal λ3 gleichzeitig über Anschluss A1 zu Kanal C03 hinzugefügt werden können. Gleichzeitig können die Eingangssignale der Kanäle C03, C12 und C21 an Port D1 abgeleitet werden. Das vorgeschlagene Gerät ermöglicht somit das Laden mehrerer Kanäle über einen Additionsport und deren Ableitung über einen Dropport. Da WDM (Wellenlängenmultiplex) verwendet wird, muss die gegenseitige Exklusivität der Wellenlängensignale während des Lade-/Ableitungsprozesses gewährleistet sein. Sollen Signale mit unterschiedlichen Moden auf derselben Wellenlänge hoch- oder heruntergeladen werden, kann Zeitmultiplexverfahren (TDM) zur Signalverarbeitung eingesetzt werden. Dieses verbessert die Übertragungseffizienz durch Zeitsegmentierung, analog zum TDM-Mechanismus in passiven optischen Netzen.
Tabelle 1. Schema der Wellenlängenzuordnung und MRR-Funktion
3. Experimentelle Ergebnisse.
Bevor wir die Leistungsfähigkeit des gefertigten ROAMD charakterisierten, haben wir zunächst die statischen Spektren des auf demselben Chip gefertigten M-(DE)MUX gemessen (siehe Abbildung 2(a)). Zur Charakterisierung des M-(DE)MUX wurden eine Quelle für verstärkte spontane Emission (ASE) und ein optischer Spektrumanalysator (OSA) verwendet. Die ASE erzeugt Breitbandlicht, das das gesamte C-Band abdeckt. Über einen Gitterkoppler wurde das Breitbandlicht mittels einer Standard-Singlemode-Faser in das gefertigte Bauelement eingekoppelt. Eine weitere Standard-Singlemode-Faser diente zur Einkopplung der optischen Ausgangssignale in den OSA. Die Abbildungen 2(b) bis 2(e) zeigen die Transmissionsspektren des gefertigten M-(DE)MUX bei Lichteinkopplung an Port 1, Port 2, Port 3 bzw. Port 4. Die Einfügungsdämpfung (IL) des gefertigten M-(DE)MUX beträgt weniger als 1,8 dB, das Übersprechen (CT) weniger als -15,5 dB im C-Band. Die Einfügedämpfung unseres gefertigten Bauteils ist höher als die des simulierten Bauteils, was auf Instabilitäten der Elektronenstrahllithografie (EBL) zurückzuführen sein könnte. Zukünftig können wir den M-
(DE)MUX mit einer robusteren Struktur entwickeln, die die Fertigungstoleranzen besser einhält und so die Einfügedämpfung des Bauteils reduziert.
Abb. 2. (a) Mikroskopische Aufnahme des hergestellten M-(DE)MUX. Statisches Verhalten eines Paares von Modenmultiplexern mit den gleichen Strukturparametern bei Lichteinfall an Port 1 (b), Port 2 (c), Port 3 (d) und Port 4 (e).
Anschließend charakterisierten wir die Leistungsfähigkeit des gefertigten ROADM mithilfe von ASE und OSA. Durch Ansteuerung der Ausgänge der an die Mikroheizer angelegten abstimmbaren Spannungsquellen (TVS) lässt sich der Zustand der Schaltmatrix ändern. Somit kann mittels OSA ein Bereich von Antwortspektren des gefertigten Bauelements beobachtet werden. Die Betriebswellenlängen λ1, λ2 und λ3 wurden auf 1554,5 nm, 1556,0 nm bzw. 1557,5 nm festgelegt. Um die Funktion des Bauelements genauer zu beschreiben, testeten wir die Funktionen aller Add/Delete-Ports des ROADM (siehe Abbildungen 3 und 4). Hierbei verwendeten wir die Transmissionsspektren eines geraden, auf demselben Chip gefertigten Wellenleiters, um die Transmissionsspektren des Bauelements zu normieren. Die Einfügungsdämpfung (IL) der optischen Verbindungen beträgt weniger als 7,0 dB und setzt sich hauptsächlich aus Modenkopplungs- und Überblendverlusten zusammen. Die Modenkopplungsverluste des M-(DE)MUX betragen 0,9–1,0 dB bzw. 0,95–1,1 dB für die TE1- bzw. TE2-Mode bei einer optischen Wellenlänge von 1550–1560 nm. Die Wellenleiter-Übergangsdämpfung liegt im Wellenlängenbereich von 1550–1560 nm bei 0,4–0,6 dB. Darüber hinaus ist der CT-Wert des hergestellten Bauelements besser als -13,4 dB.
Abb. 3. Statische Transmissionen an den Ausgangsanschlüssen (O0-O2), wenn Breitbandlicht von den zusätzlichen Anschlüssen (A1-A3) eingespeist wird.
Abb. 4. Statische Transmissionen an den Ausgangsanschlüssen (D1-D3), wenn das Lichtsignal von den Eingangsanschlüssen (I0-I1) kommt.
Im experimentellen Test, bei dem die Resonanzwellenlänge jedes MRR seiner Betriebswellenlänge entspricht, betragen die an die Widerstände R1 bis R9 angelegten Spannungen 2,63 V, 1,64 V, 1,72 V, 1,29 V, 2,08 V, 2,01 V, 2,61 V, 3,00 V bzw. 1,17 V. Der Heizwiderstand liegt bei etwa 330 Ohm, sodass die Leistungsaufnahme zwischen 4 mW und 27 mW liegt. Abbildung 3 zeigt die Einfügeanschlüsse Ai (i = 1, 2, 3), über die bis zu drei verschiedene optische Kanäle gleichzeitig in den Buswellenleiter eingespeist werden. Abbildung 4 zeigt hingegen die Entnahmeanschlüsse Di (i = 1, 2, 3), über die bis zu drei verschiedene optische Kanäle gleichzeitig aus dem Buswellenleiter entnommen werden. Wenn R1, R4 und R7 ihre Betriebswellenlängen aufweisen, erreichen die optischen Verbindungen A1-O2, A1-O1 und A1-O0 ihre maximalen Absorptionswerte bei 1554,5 nm, 1556,0 nm bzw. 1557,5 nm (siehe Abb. 3(a)–3(c)). Daher können optische Signale unterschiedlicher Wellenlängen, die über Port A1 eingespeist werden, in den entsprechenden Kanal des Buswellenleiters geladen werden. In diesem Fall kann Port D1 Signale gleichzeitig in verschiedene Kanäle des Buswellenleiters laden (siehe Abb. 4(a)–4(c)). Wenn R2, R5 und R8 ihre Betriebswellenlängen aufweisen, erreichen die optischen Verbindungen A2-O2, A2-O1 und A2-O0 ihre maximalen Absorptionswerte bei 1556,0 nm, 1557,5 nm bzw. 1554,5 nm (siehe Abb. 3(d)–3(f)). Es ist zu beobachten, dass die optischen Signale der Kanäle C22, C13 und C01 über Port A2 übertragen werden können. In diesem Fall kann Port D1 gleichzeitig Signale an die Kanäle C22, C13 und C01 senden, wie in den Abbildungen 4(d)–4(f) dargestellt. In den Abbildungen 3(g) bis 3(i)
befinden sich die optischen Verbindungen A3-O2, A3-O1 und A3-O0 bei ihren maximalen Wellenlängen von 1557,5 nm, 1556,0 nm bzw. 1554,5 nm, wenn R3, R6 und R9 ihre Betriebswellenlängen aufweisen. In diesem Zustand des Schaltarrays können die optischen Signale der Kanäle C23, C11 und C02 über Port A3 eingespeist werden. In diesem Fall kann Port D1 gleichzeitig Signale an die Kanäle C23, C11 und C02 senden, wie in den Abbildungen 4(g) bis 4(i) dargestellt. Um die Schaltzeiten der Schalteinheiten zu veranschaulichen, betrachten wir die Schalteinheit R9 als Beispiel. Ein elektrisches Eingangssignal wird an die Schalteinheit R9 angelegt, um den Aufbau der optischen Verbindung für Kanal C02 zu steuern. Abbildung 5 zeigt die Ausgangsantwort von Kanal C02. Das Ergebnis zeigt, dass die Schaltzeit im Add-/Delete-Modus etwa 24,0 μs für die Anstiegszeit und 37,2 μs für die Abfallzeit beträgt.
Abb. 5. Gemessene dynamische Reaktion des MRR auf thermische Anpassung.
Abschließend wurde ein Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsexperiment mit dem gefertigten ROADM durchgeführt. Aufgrund von Gerätebeschränkungen wurden die optischen Verbindungen des ROADM einzeln getestet. Licht mit einer der optischen Testverbindung entsprechenden Arbeitswellenlänge wurde zunächst mit einem abstimmbaren Laser (Santec, TSL570) erzeugt und einem Polarisationscontroller zugeführt, um sicherzustellen, dass das Licht TE-polarisiert war. Anschließend wurde das Licht mit einem elektrooptischen Modulator moduliert, der mit einer 20 Gbit/s schnellen Pseudozufallsbitfolge der Länge 2<sup>10</sup> angesteuert wurde. Diese wurde von einem Arbiträrsignalgenerator (Keysight, M8196A) erzeugt. Das modulierte Signal wurde dann in den Chip eingespeist und von einem digitalen Kommunikationsanalysator (Keysight, 86100D) empfangen. Wie in Abbildung 6 dargestellt, weisen die gemessenen Augendiagramme ein Extinktionsverhältnis (ER) von über 11,83 dB auf. Dies belegt die gute Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsfähigkeit des gefertigten ROADM. Um hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, können andere fortschrittliche Modulationstechnologien, wie beispielsweise der Plasma-Streueffekt [29], zur Modulation der Schalteinheiten eingesetzt werden.
Abb. 6. Augendiagramme, gemessen im 20-Gbit/s-Datenübertragungsexperiment für das gefertigte ROADM.
4. Fazit
In diesem Artikel haben wir ein n×n-ROADM für WDM-MDM-Systeme auf Basis einer Schaltmatrix auf einer SOI-Plattform vorgestellt. Dies ermöglicht die simultane Rekonfiguration von Moden- und Wellenlängendimensionen über einen einzigen Add/Delete-Port und bietet somit mehr Flexibilität und Effizienz im optischen Netzwerkmanagement. Als Machbarkeitsnachweis haben wir ein 3×3-ROADM-Bauelement gefertigt. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass jeder Add/Delete-Port durch Ansteuerung des Mikroring-Arrays unterschiedliche Signale auf den Buswellenleiter laden bzw. entladen kann. Die Einfügungsdämpfung (IL), die die Moden-(De-)Multiplexing-Komponenten umfasst, liegt unter 7,0 dB, während der CT-Pegel des ROADM besser als -13,4 dB ist. Dies gewährleistet minimale Interferenzen zwischen verschiedenen Kanälen und eine hohe Signalintegrität. Abschließend wird die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung des Bauelements demonstriert. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das Bauelement den Betrieb jedes Add/Delete-Ports mit 60 Gbit/s (3 × 20 Gbit/s) unterstützt. Darüber hinaus zeichnet sich das vorgeschlagene ROADM-Gerät durch eine hervorragende Skalierbarkeit aus und ist in der Lage, zukünftige Anforderungen an die Datenverarbeitung zu erfüllen. Dadurch wird es zu einer leistungsstarken und zukunftssicheren Komponente in fortschrittlichen optischen Kommunikationssystemarchitekturen.
Förderung:
Nationales Forschungs- und Entwicklungsprogramm Chinas (2022YFB2804202); Nationale Naturwissenschaftliche Stiftung Chinas (62405125, W2411059); Wichtiges Forschungs- und Entwicklungsprogramm der Provinz Gansu (24YFGA007); Naturwissenschaftliche Stiftung der Provinz Gansu (23JRRA1026); Staatliches Schlüssellabor für fortgeschrittene optische Kommunikationssysteme und -netze (2024GZKF12).
Offenlegung
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Datenverfügbarkeit
Die Daten, auf denen die in diesem Artikel präsentierten Ergebnisse basieren, sind derzeit nicht öffentlich zugänglich, können aber auf begründete Anfrage bei den Autoren angefordert werden.
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