El ROADM propuesto es compatible tanto con los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) como con los sistemas de multiplexación por división de modo (MDM). A diferencia de los dispositivos ROADM tradicionales para sistemas WDM-MDM, nuestra innovación permite la reconfiguración simultánea de las dimensiones de modo y longitud de onda a través de un único puerto de adición/eliminación. La pérdida de inserción de los enlaces ópticos, incluidas la pérdida de acoplamiento de modo y la pérdida de cruce, es inferior a 7,0 dB, mientras que la diafonía del dispositivo fabricado se mantiene por debajo de -13,4 dB. Además, cada puerto de adición/eliminación individual del dispositivo puede descargar simultáneamente múltiples señales de datos en una forma de onda de bus, lo que allana el camino para posibles aplicaciones en futuros centros de datos de capacidad ultraalta.
1. Introducción
Durante la última década, el rápido desarrollo de la supercomputación, los servicios en la nube y la tecnología del Internet de las cosas ha impulsado el campo del procesamiento de información óptica en chip a un período de rápido crecimiento. Este crecimiento se atribuye a las ventajas superiores del procesamiento de información óptica sobre el procesamiento de información electrónico tradicional, como un mayor ancho de banda y velocidades de procesamiento más altas [1–4]. Para hacer frente a las crecientes demandas de rendimiento en las redes ópticas, se han propuesto y demostrado experimentalmente diversas tecnologías de multiplexación para mejorar las capacidades de procesamiento de datos, entre ellas la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) [5-7], la multiplexación por división de polarización (PDM) [8-10] y la multiplexación por división de modo (MDM) [11-14]. Entre ellas, la tecnología MDM ha suscitado un gran interés, ya que permite mejorar la capacidad del enlace óptico utilizando una sola fuente láser. Actualmente, se ha demostrado un (des)multiplexor de modo de alto orden con 16 canales de modo [15], lo que implica que la capacidad de procesamiento de los dispositivos puede aumentarse hasta 16 veces la de un canal de modo único. Además, al integrar la tecnología MDM con la tecnología WDM, se puede aumentar significativamente el número de canales de datos en las guías de onda de bus. Se han propuesto numerosos dispositivos ópticos en chip adaptados a los sistemas WDM-MDM, como el (des)multiplexor de modo de longitud de onda [16,17], los dispositivos de intercambio de modo [18,19] y los transmisores [20,21]. A medida que los sistemas WDM-MDM siguen evolucionando y ampliándose, los investigadores han desarrollado una variedad de dispositivos para procesar la información dentro de las redes ópticas WDM-MDM. Entre estos dispositivos, destaca el multiplexor óptico reconfigurable de adición/eliminación (ROADM) por su capacidad para cargar y descargar datos en guías de onda de bus, lo que desempeña un papel crucial en el funcionamiento de los sistemas WDM-MDM.
Se han propuesto y demostrado varios ROADM para sistemas MDM y WDM-MDM [22-25]. Por ejemplo, se ha propuesto un tipo de ROADM que logra un acceso selectivo eficaz a cualquier canal de modo/longitud de onda mediante la redistribución del campo de modo. Este ROADM es capaz de reconfigurar las longitudes de onda en un único puerto de adición/eliminación controlando la longitud de onda de resonancia de los conmutadores de microanillo [26]. Sin embargo, para los sistemas WDM-MDM, ninguno de los ROADM propuestos anteriormente ha sido capaz de lograr la reconfigurabilidad tanto en la dimensión de la longitud de onda como en la del modo en un único puerto de adición/eliminación. A medida que aumenta el número de canales, el número de puertos de adición/eliminación en los ROADM aumenta de forma inadecuada, lo que da lugar a una red óptica más compleja. Por lo tanto, es esencial lograr la reconfigurabilidad tanto en la dimensión de la longitud de onda como en la del modo en un único puerto de carga y descarga.
En este trabajo, proponemos un ROADM para sistemas WDM-MDM basado en la plataforma de silicio sobre aislante (SOI), que presenta una excelente reconfigurabilidad tanto en la dimensión de longitud de onda como en la de modo en un único puerto de adición/eliminación. Además, el ROADM propuesto aborda eficazmente la limitación de que solo se puede transmitir o recibir un canal simultáneamente en un puerto de adición o eliminación. Como prueba de concepto, demostramos un ROADM que incorpora nueve canales de datos (tres canales de longitud de onda y tres canales de modo) dentro de una guía de ondas de bus. Mediante el control de la matriz de conmutación, los datos locales pueden cargarse simultáneamente en tres canales a través de un único puerto de adición, mientras que el puerto de descarga puede descargar los tres canales correspondientes. La pérdida de inserción (IL) del enlace óptico es inferior a 7,0 dB, y comprende principalmente la pérdida por acoplamiento de modo y la pérdida por cruce. Además, la diafonía (CT) del dispositivo fabricado es mejor que -13,4 dB. El dispositivo propuesto ofrece una excelente escalabilidad y reconfigurabilidad, lo que permite que cada canal de adición/eliminación descargue y cargue simultáneamente múltiples señales, satisfaciendo así las futuras demandas de mayor capacidad de datos.
2. Principio y fabricación del dispositivo
La figura 1 (a) muestra el diagrama esquemático del ROADM propuesto, que contiene dos (des)multiplexores de modo (M-(DE)MUX) y una matriz de conmutadores n×n basada en resonadores de microanillo (MRR). Todos los componentes y guías de onda están diseñados para una polarización eléctrica cuasi transversal. Cuando las señales ópticas entran en el ROADM, primero son demultiplexadas por el M-(DE)MUX en guías de onda monomodo antes de pasar a la matriz de conmutación n×n. Las señales que entran en la matriz de conmutación pueden cargarse o descargarse a través de los puertos Add (etiquetados como A1 a An) o Drop (etiquetados como D1 a Dn). Las señales ópticas que no se descargan ni se cargan pasan directamente a través de la matriz de conmutación y vuelven a entrar en la guía de ondas del bus multimodo. Dentro de la matriz de conmutación n×n, cada fila (o columna) de microanillos funciona a longitudes de onda distintas.
Fig. 1. (a) Esquema del ROADM para sistemas WDM-MDM, (b) imagen microscópica del dispositivo ROADM fabricado.
Como prueba del concepto, mostramos un ROADM en una plataforma SOI, tal y como se muestra en la Fig. 1 (b). El dispositivo está fabricado en una oblea SOI con una capa superior de Si de 220 nm de espesor y una capa enterrada de SiO2 de 3 μm de espesor. La huella del dispositivo fabricado es de 3 mm × 0,6 mm. Se utilizan procesos de litografía por haz de electrones (EBL) y grabado por plasma acoplado inductivamente (ICP) para formar las guías de onda del dispositivo. El radio de las guías de onda de microanillo en la matriz de conmutación es de 10 μm, y el radio de otras guías de onda curvas en los (DE)MUXs está diseñado para ser de 10 μm. El M-(DE)MUX del dispositivo se basa en acopladores direccionales asimétricos (ADC). Según la condición de coincidencia de fase [27], el índice efectivo del modo TE0 en una guía de onda monomodo de 0,45 μm de ancho es de aproximadamente 2,36, por lo que se determina que las anchuras de las guías de onda multimodo son de 0,93 μm para el acoplamiento del modo TE1 y de 1,41 μm para el acoplamiento del modo TE2. En este trabajo, la separación de acoplamiento del M-(DE)MUX se ha diseñado para ser de 0,2 μm. Para maximizar la eficiencia del acoplamiento de modos, se eligen longitudes de acoplamiento para TE1 y TE2 de 27 μm y 34,5 μm, respectivamente. Se ha diseñado un cono adiabático de 150 μm de longitud entre guías de onda de diferentes anchuras para reducir la diafonía entre modos. En la matriz de conmutación, la separación de acoplamiento entre las guías de onda de microanillo y las guías de onda de modo fundamental se ha elegido de 0,15 μm. Se ha depositado una capa de SiO2 de 2 μm de espesor sobre las guías de onda como capa de aislamiento. Para alterar la longitud de onda resonante, se deposita un microcalentador de Ti con un espesor de 100 nm y un ancho de 5 μm sobre cada MRR. En los terminales de los puertos (incluidos los puertos de adición, los puertos de derivación, los puertos de entrada y los puertos de salida), se integran doce acopladores de rejilla para facilitar la comunicación con equipos externos al chip, lo que abarca la entrada y salida de señales ópticas.
La longitud de onda resonante de cada MRR en la matriz de conmutadores se puede sintonizar mediante el efecto termoóptico [28]. Utilizamos λ1, λ2, λ3, denominadas tres longitudes de onda de trabajo. Para simplificar, denominamos al canal Cij (i = 0, 1, 2; j = 1, 2, 3) para el canal de longitud de onda (λj) con el modo TEi. Mediante el control del estado de funcionamiento de la matriz de conmutadores, las señales deseadas de los diferentes canales de entrada Cij pueden descargarse al puerto de salida correspondiente Di (i = 1, 2, 3), siendo cada puerto de salida capaz de descargar tres canales. Al mismo tiempo, las señales locales transportadas por diferentes canales de longitud de onda pueden introducirse en la matriz de conmutadores a través de los puertos de adición, y las señales locales con otras señales de entrada pueden multiplexarse a la guía de ondas del bus de salida a través del M-MUX. Cada puerto de adición Ai (i = 1, 2, 3) puede añadir señales locales a tres canales en la guía de ondas del bus, por lo que todos los canales de la guía de ondas del bus pueden poblarse a través de estos tres puertos de adición.
Para ilustrar la función de este dispositivo, mostramos un esquema de asignación de longitudes de onda en funcionamiento para la matriz de conmutadores. El esquema de asignación de longitudes de onda y las funciones de las diferentes unidades de conmutación en la matriz de conmutadores se muestran en la Tabla 1. Cada MRR puede añadir o eliminar el canal Cij correspondiente (i = 0, 1, 2; j = 1, 2, 3). Combinando la Fig. 1 con esta información, es evidente que los MRR de cada fila y columna de la matriz de conmutadores operan en diferentes longitudes de onda. Este esquema de asignación de longitudes de onda permite que cada puerto de adición pueda añadir tres señales de canal diferentes a la guía de ondas del bus de salida, y que cada puerto de eliminación pueda descargar tres señales de canal correspondientes de la guía de ondas del bus simultáneamente. Tomando como ejemplo los puertos A1 y D1, cuando los MRR R1, R4 y R7 están en sus respectivas longitudes de onda de trabajo, las señales transportadas por el canal λ1 se pueden añadir al canal C21, las señales transportadas por el canal λ2 se pueden añadir al canal C12 y las señales transportadas por el canal λ3 se pueden añadir al canal C03 a través del puerto A1 simultáneamente. Al mismo tiempo, las señales de entrada transportadas por los canales C03, C12 y C21 pueden descargarse al puerto D1. Por lo tanto, el dispositivo propuesto logra la función de que se pueden cargar múltiples canales a través de un puerto de adición y se pueden descargar a un puerto de caída. Como se utiliza WDM, se debe garantizar la exclusividad mutua de las señales de longitud de onda durante el proceso de carga/descarga. Si necesitamos cargar/descargar señales con diferentes modos en la misma longitud de onda, se puede utilizar la tecnología de multiplexación por división de tiempo (TDM) para el procesamiento de señales, lo que mejora la eficiencia de la transmisión mediante la segmentación del tiempo, de forma análoga al mecanismo TDM en las redes ópticas pasivas.
Tabla 1. Esquema de asignación de longitudes de onda y función de los MRR
3. Resultados experimentales
Antes de caracterizar el rendimiento del ROAMD fabricado, medimos primero los espectros estáticos del M-(DE)MUX, que está fabricado en el mismo chip, como se muestra en la figura 2 (a). Se emplean una fuente de emisión espontánea amplificada (ASE) y un analizador de espectro óptico (OSA) para caracterizar el M-(DE)MUX. La fuente ASE genera luz de banda ancha que cubre toda la banda C. Se utiliza una fibra monomodo estándar para acoplar la luz de banda ancha al dispositivo fabricado a través de un acoplador de rejilla. Se utiliza otra fibra monomodo estándar para acoplar las señales ópticas de salida al OSA. Las figuras 2 (b) a 2 (e) muestran los espectros de transmisión del M-(DE)MUX fabricado cuando la luz se introduce en el puerto 1, el puerto 2, el puerto 3 y el puerto 4, respectivamente. La pérdida de inserción (IL) del M-(DE)MUX fabricado es inferior a 1,8 dB, mientras que la diafonía (CT) es inferior a -15,5 dB en la banda C. La pérdida de inserción de nuestro dispositivo fabricado es mayor que la del dispositivo simulado, lo que puede deberse a la inestabilidad del EBL. En el futuro, podemos diseñar el M-
(DE)MUX adoptando una estructura más resistente a la tolerancia de fabricación para reducir la pérdida de inserción del dispositivo.
Fig. 2. (a) Micrografía del M-(DE)MUX fabricado. Rendimiento estático de un par de multiplexores de modo con los mismos parámetros estructurales cuando la entrada de luz se realiza en el puerto 1 (b), el puerto 2 (c), el puerto 3 (d) y el puerto 4 (e).
A continuación, utilizamos el ASE y el OSA para caracterizar el rendimiento del ROADM fabricado. Mediante el control de las salidas de las fuentes de tensión sintonizables (TVS) aplicadas a los microcalentadores, se puede cambiar el estado de la matriz de conmutación. Por lo tanto, se puede observar una gama de espectros de respuesta del dispositivo fabricado a través del OSA. Las longitudes de onda de trabajo λ1, λ2, λ3 se eligen para ser 1554,5 nm, 1556,0 nm y 1557,5 nm respectivamente. Para describir mejor la función del dispositivo, probamos las funciones de todos los puertos de adición/eliminación del dispositivo ROADM, como se muestra en la Fig. 3 y la Fig. 4 . Aquí, utilizamos los espectros de transmisión de una guía de onda recta fabricada en el mismo chip para normalizar los espectros de transmisión del dispositivo fabricado. La IL de los enlaces ópticos es inferior a 7,0 dB, lo que incluye principalmente la pérdida por acoplamiento de modos y la pérdida por cruce. Las pérdidas por acoplamiento de modo del M-(DE)MUX son de 0,9-1,0 dB y 0,95-1,1 dB para los modos TE1 y TE2, respectivamente, cuando la longitud de onda óptica es de 1550-1560 nm. La pérdida por cruce de las guías de onda es de 0,4-0,6 dB para el rango de longitudes de onda de 1550-1560 nm. Además, el CT del dispositivo fabricado es mejor que -13,4 dB.
Fig. 3. Las transmisiones estáticas en los puertos de salida (O0-O2), cuando se introduce luz de banda ancha desde los puertos de adición (A1-A3).
Fig. 4. Las transmisiones estáticas en los puertos de salida (D1-D3), cuando la entrada de luz proviene de los puertos de entrada (I0-I1).
En la prueba experimental, cuando la longitud de onda resonante de cada MRR se encuentra en su longitud de onda de trabajo, los voltajes aplicados a R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 y R9 son 2,63 V, 1,64 V, 1,72 V, 1,29 V, 2,08 V, 2,01 V, 2,61 V, 3,00 V y 1,17 V, respectivamente. La resistencia del calentador es de aproximadamente 330 ohmios, por lo que el consumo de energía oscila entre 4 mW y 27 mW. La figura 3 muestra los puertos de inserción Ai (i = 1, 2, 3) que cargan hasta tres canales ópticos distintos en la guía de ondas del bus simultáneamente. Por el contrario, la figura 4 muestra los puertos de descarga Di (i = 1, 2, 3) que descargan hasta tres canales ópticos diferentes de la guía de ondas del bus al mismo tiempo. Cuando R1, R4, R7 están en sus longitudes de onda de trabajo, los enlaces ópticos A1-O2, A1-O1 y A1-O0 son máximos a 1554,5 nm, 1556,0 nm y 1557,5 nm, respectivamente, como se muestra en las figuras 3 (a) – 3 (c). Por lo tanto, las señales ópticas de diferentes longitudes de onda inyectadas desde el puerto A1 pueden cargarse en el canal correspondiente de la guía de ondas del bus. En este caso, el puerto D1 puede descargar señales en diferentes canales de la guía de ondas del bus al mismo tiempo, como se muestra en las figuras 4 (a)– 4 (c) . Cuando R2, R5 y R8 se encuentran en sus longitudes de onda de trabajo, los enlaces ópticos A2-O2, A2-O1 y A2-O0 son máximos a 1556,0 nm, 1557,5 nm y 1554,5 nm, respectivamente, como se muestra en las figuras 3 (d)– 3 (f). Se puede observar que las señales ópticas de los canales C22, C13 y C01 se pueden cargar a través del puerto A2. En este caso, el puerto D1 puede descargar señales en los canales C22, C13 y C01 al mismo tiempo, como se muestra en las figuras 4 (d) a 4 (f). En las figuras 3 (g) a 3 (i), cuando R3,
R6 y R9 están en sus longitudes de onda de trabajo, los enlaces ópticos A3-O2, A3-O1 y A3-O0 son máximos a 1557,5 nm, 1556,0 nm y 1554,5 nm, respectivamente. En este estado de la matriz de conmutación, las señales ópticas de los canales C23, C11 y C02 se pueden cargar a través del puerto A3. En este caso, el puerto D1 puede descargar señales en los canales C23, C11 y C02 al mismo tiempo, como se muestra en las figuras 4 (g) a 4 (i). Además, para ilustrar los tiempos de conmutación de las unidades de conmutación, tomamos como ejemplo la unidad de conmutación R9. Se aplica una señal eléctrica de entrada a la unidad de conmutación R9 para controlar el establecimiento del enlace óptico del canal C02. La figura 5 muestra la respuesta de salida del canal C02. El resultado muestra que el tiempo de conmutación para el funcionamiento en modo de adición/eliminación es de aproximadamente 24,0 μs para el tiempo de subida y de 37,2 μs para el tiempo de caída.
Fig. 5. Respuesta dinámica medida del MRR al sintonizado térmico.
Por último, se lleva a cabo un experimento de transmisión de datos a alta velocidad del ROADM fabricado. Debido a las limitaciones del equipo, probamos los enlaces ópticos del ROADM uno por uno. La luz a una longitud de onda de trabajo correspondiente al enlace de prueba óptico se genera primero mediante un láser sintonizable (Santec, TSL570) y se introduce en un controlador de polarización para garantizar que la luz tenga polarización TE. A continuación, la luz se modula mediante un modulador electroóptico, que es accionado por una secuencia de bits pseudoaleatoria de 20 Gbps con una longitud de 210-1 generada por un generador de formas de onda arbitrarias (Keysight, M8196A). A continuación, la señal modulada se introduce en el chip y es recibida por un analizador de comunicaciones digitales (Keysight, 86100D). Como se muestra en la figura 6, los diagramas oculares medidos tienen una relación de extinción (ER) superior a 11,83 dB, lo que demuestra que el ROADM fabricado posee una buena funcionalidad de comunicación de alta velocidad. Para lograr una alta velocidad de conmutación, se pueden emplear otras tecnologías de modulación avanzadas, como el efecto de dispersión del plasma [29], para modular las unidades de conmutación.
Fig. 6. Diagramas oculares medidos en el experimento de transmisión de datos a 20 Gbps para el ROADM fabricado
4. Conclusión
En este artículo, hemos propuesto un ROADM n×n para sistemas WDM-MDM basado en una matriz de conmutación en una plataforma SOI, que permite la reconfiguración simultánea de las dimensiones de modo y longitud de onda a través de un único puerto de adición/eliminación, lo que ofrece una mayor flexibilidad y eficiencia en la gestión de redes ópticas. Como prueba de concepto, fabricamos un dispositivo ROADM 3×3. Los resultados experimentales muestran que cada puerto de adición/eliminación puede cargar/descargar diferentes señales en la guía de ondas del bus controlando la matriz de microanillos. La IL, que abarca los componentes de (des)multiplexación de modo, es inferior a 7,0 dB, mientras que el nivel de CT del ROADM es mejor que -13,4 dB, lo que garantiza una interferencia mínima entre los diferentes canales y mantiene una alta integridad de la señal. Por último, se demuestra la transmisión de datos a alta velocidad del dispositivo, y los resultados experimentales muestran que el dispositivo admite que cada puerto de adición/eliminación funcione con datos de 60 Gbps (3 × 20 Gbps). Además, el dispositivo ROADM propuesto muestra una excelente escalabilidad, lo que puede satisfacer los crecientes requisitos de procesamiento de datos en el futuro, lo que lo convierte en un componente potente y preparado para el futuro en la arquitectura avanzada de sistemas de comunicación óptica.
Financiación
Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de China (2022YFB2804202); Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (62405125, W2411059); Investigación y Desarrollo Clave de la provincia de Gansu (24YFGA007); Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Gansu (23JRRA1026); Laboratorio Estatal Clave de Sistemas y Redes de Comunicación Óptica Avanzada (2024GZKF12).
Divulgaciones
Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Disponibilidad de los datos
Los datos en los que se basan los resultados presentados en este artículo no están disponibles públicamente en este momento, pero pueden obtenerse de los autores previa solicitud razonable.
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