XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Аннотация: переконфигурируемые мультиплексоры / демультиплексоры с оптическим режимом привлекают все большее внимание, поскольку они обеспечивают удобное построение гибких и сложных оптических сетей на кристалле. На данной работе демонстрируем схему реконфигурируемого и масштабируемого оптического режима мультиплексора / демультиплексора с большой шириной полосы пропускания, основанного на трехволновых структурах связи. В качестве подтверждения концепции реконфигурируемое устройство, которое может мультиплексировать входные сигналы в основной и квазипоперечный электрический режим первого порядка, полностью изготовлено и успешно продемонстрировано. Спектры статического отклика показывают, что оптические перекрестные помехи на выходных портах устройства составляют менее -14,3 дБ и -13,7 дБ во всей полосе C (> 40 нм) соответственно. Динамические характеристики со скоростью передачи данных 40 Гбит / с для каждого канала мультиплексирования также успешно продемонстрированы. Предполагается, что представленное устройство является потенциальным кандидатом для будущей внутрикристальной оптической сети с масштабной интеграцией, гибкой функциональностью и низкой стоимостью.

Ключевые слова: мультиплексирование, оптический мод, демультиплексор, оптическое волокно.

Введение

На современном этапе развития инфокоммуникационных технологий стандартные одномодовые оптические волокна, которые сегодня применяются на транспортных сетях связи, практически исчерпали свой ресурс увеличения пропускной способности. Основными факторами искажений сигналов в оптических каналах становятся факторы нелинейности, которые, учитывая малый диаметр сердцевины стандартных одномодовых оптических волокон, увеличение вводимой в оптическое волокно мощности с увеличением числа оптических каналов при спектральном уплотнении и протяженность линий передачи транспортных сетей, действие которых на физическом уровне в стандартных одномодовых оптических волокнах уменьшить практически невозможно. В качестве альтернативы, рассматриваются системы пространственного мультиплексирования с многосердцевинными, маломодовыми или даже многомодовыми оптическими волокнами в маломодовом режиме передачи, практическое использование которых по прогнозам аналитиков ожидается на транспортных сетях связи уже к 2025 году. При использовании маломодовых или многомодовых оптических волокон требуются модовые мультиплексоры/демультиплексоры, обеспечивающие разделение мод световода. Модовое мультиплексирование известно достаточно давно. С точки зрения разделения мод хорошие показатели демонстрируют устройства на диффракционных оптических элементах (ДОЭ). Этот же недостаток характерен для устройств на элементах макро-оптики. Оптическая связь играет чрезвычайно важную роль в сетях на большие расстояния, на короткие расстояния и внутри чипа благодаря своим уникальным характеристикам, таким как высокая скорость, параллельная обработка и низкая задержка. В настоящее время постоянно растущий спрос на высокую емкость и гибкую передачу данных становится все более серьезной проблемой. Для дальнейшего увеличения пропускной способности, передаваемой по физическому каналу, исследователи разработали множество эффективных технологий оптического мультиплексирования, таких как мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM), мультиплексирование с разделением по поляризации (PDM) и мультиплексирование с разделением каналов (MDM). Среди них, WDM был успешно развернут в системах оптической связи благодаря его способности значительно увеличить пропускную способность канала. Однако технология WDM может быть дорогой и сложной, требующей большого количества лазеров и управления сложными длинами волн. Для PDM на кристалле можно использовать только две поляризации для увеличения емкости, что быстро станет ограничением для будущих приложений. В последнее время технология MDM привлекла широкое внимание к дальнейшему увеличению пропускной способности, поскольку она позволяет передавать несколько каналов данных параллельно через многомодовый волновод путем мультиплексирования нескольких ортогональных пространственных режимов с использованием одной длины волны. MDM также можно использовать в сочетании с WDM и PDM, что позволяет значительно увеличить пропускную способность связи. Для MDM мультиплексор / демультиплексор является основным компонентом. Различные мультиплексоры / демультиплексоры были предложены и продемонстрированы на основе различных структур, таких как асимметричные направленные ответвители (АЦП), адиабатические ответвители, асимметричные Y-переходы, микрокольцевые резонаторы (MRR), муфты многомодовых помех (MMI), среди прочих. Однако большинство предлагаемых модовых мультиплексоров / демультиплексоров не могут быть перенастроены, что означает, что каждый входной основной режим может быть преобразован только в один конкретный режим высокого порядка на мультиплексоре мод. Очевидно, что это ограничит применение мультиплексора / демультиплексора во все более сложных и гибких сетях MDM. Хотя некоторые реконфигурируемые мультиплексоры / демультиплексоры также успешно демонстрируются на основе ответвителей MMI и Y-переходов, им трудно масштабироваться для реализации режима (де) мультиплексирования высшего порядка. Совсем недавно были продемонстрированы некоторые переключатели селективного режима и мультиплексоры с добавлением-падением, основанные на MRR, интерференционном соединителе Маха-Цендера и микроэлектромеханической системе. Эти устройства могут быть преобразованы в мультиплексоры / демультиплексоры с реконфигурируемым режимом путем введения дополнительного мультиплексора в пассивном режиме, но они имеют сложную структуру. Следовательно, все еще существует потребность в разработке реконфигурируемого мультиплексора / демультиплексора, характеризующегося простой и масштабируемой структурой.

Мультиплексор и демультиплексор

С мультиплексором есть возможность через один выход пропустить информацию с нескольких входов. А демультиплексор действует с точностью наоборот – распределяет полученные данные с одного входа на разные выходы.

Мультиплексор представляет собой такое оборудование, которое содержит в себе несколько входов сигнала, один или несколько входов управления и лишь один общий выход. Данное устройство дает возможность передавать определенный канал из одного из имеющихся входов на специальный и единственный выход.

При всем этом выбирается вход с помощью подачи определенной комбинации сигналов управления. Чаще всего мультиплексор необходим там, где нужно обустраивать для передачи сигналов большое количество каналов (сигналов), а денег и технического оснащения для этого нет.

Работоспособность данного типа устройства основана на том, что сигнал связи, даже в случае, если он один, очень часто не применяется на всю мощность. По этой причине имеется лишнее место для запуска других потоков информации по одной линии.

Разумеется, что если все эти потоки пускаются в изначальном виде и в одно и то же время, то на выходе получится обычная мешанина информационных данных, которую будет практически нереально расшифровать. Из-за этого мультиплексор производится при помощи разделения потоков информации разнообразными методами.

Разделение по частотным полосам – это когда все потоки данных идет в одно и то же время, но с разной частотой. При этом не происходит смешивание потоков. Кроме этого, есть возможность пустить потоки в различных временных линиях. Также особо популярным является способ кодирования. В этом случае все потоки обозначаются специальными знаками, кодируются и одновременно отправляются.

Мультиплексоры классифицируют по нескольким критериям: по месту использования или по своим целевым задачам и так далее.

Основным различием мультиплексоров считается то, каким образом происходит уплотнение сигналов в один сплошной поток.

Структура мультиплексора

Мультиплексор состоит из специального дешифратора адреса входной линии каналов, разнообразных схем, в том числе и схемы объединения.

Структуру мультиплексора можно рассмотреть на примере его общей схемы. Входные данные логического типа поступают на выходы коммутатора, и далее через него направляются на выход. На вход управления подается слова адресных каналов. Само устройство тоже может обладать специальным входом управления, который дает возможность проходить или не проходить входному каналу на выход.

Существуют типы мультиплексоров, которые обладают выходом с тремя состояниями. Все нюансы работы мультиплексора зависят от его модели.

Демультиплексор

Демультиплексор представляет собой логическое устройство, которое предназначено для того, чтобы свободно переключать сигнал с одного входа информации на один из имеющихся информационных выходов. На деле демультиплексор является противоположностью мультиплексору.

Во время передачи данных по общему сигналу с разделением по временному ходу необходимо как использование мультиплексоров, так и применение демультиплексоров, то есть прибор обратного функционального назначения. Это устройство распределяет информационные данные из одного сигнала между несколькими приемниками данных.

Особым отличием данного типа устройства от мультиплексоров считается то, что есть возможность обледенить определенное количество входов в один, не применяя при этом дополнительных схем. Но для того, чтобы увеличить нагрузку микросхемы, на выходе устройства для увеличения входного канала рекомендуется установить специальный инвертор.

В схеме самого простого такого устройства для определенного выхода применяется двоичный дешифратор. Стоит отметить, что при подробном изучении дешифратора, можно сделать демультиплексор гораздо проще. Для этого необходимо ко всем логическим элементам, которые входят в структуру дешифратора прибавить еще вход. Данную структуру достаточно часто называют дешифратором, который имеет вход разрешения работы. Мультиплексоры используют в различных делителях частоты, специальных триггерных элементах, особых сдвигающихся устройствах и так далее. Их могут применять для того, чтобы преобразовать определенный параллельный двоичный код в последовательный.

Методы мультиплексирования

Чтобы исполнить частотное мультиплексирование необходимо для всех потоков определить определенный частотный период. Перед самим процессом нужно переместить спектра всех каналов, что входят в период иной частоты, что не будет никак пересекаться с иными сигналами. Кроме того, для обеспечения надежности, меж частотами делают определенные интервалы для дополнительной защиты. Данный метод применяют и в электрических, и в оптических связных линиях.

Чтобы передать каждый сигнал в сплошном потоке, что входит, имеется определенное количество времени. В этом случае, перед устройством стоит особая задача – гарантировать доступ циклов к общей среде перенаправления для потоков, которые входят на маленький временной промежуток.

При этом необходимо сделать так, чтобы не возникло нежелательное накладывание каналов друг на друга, которое смешивает информацию. Для этого используют специальные интервалы для защиты, которые ставят меж этими самыми каналами.

Этот способ используют, как правило, для цифровых связных каналов.

Мультиплексирование - технология разделения среды передачи данных между несколькими парами пользователей. В результате мультиплексирования в одном физическом канале создается группа логических каналов.

В компьютерных сетях используются следующие методы мультиплексирования:

• частотное мультиплексирование;

• временное мультиплексирование;

• волновое мультиплексирование.

Классификация мультиплексоров

Мультиплексоры существуют таких видов:

Терминальные. Их размещают на концах связных линий.

Ввода и вывода. Такие устройства встраивают в разрыв связных линий, чтобы из сплошного потока выводить определенные сигналы. При их помощи можно обойтись без дорогостоящих мультиплексоров терминального типа.

Мультиплексоры классифицируются на:

Аналоговые мультиплексоры

Ключи аналогового типа являются специальными аналого-дискретными элементами. Аналоговый ключ может быть представлен в качестве отдельно взятого устройства. Набор такого рода ключей, которые работают на единственный выход с цепями выборки определенного ключа, являются специальным аналоговым мультиплексором. Аналоговое оборудование в каждый период времени выбирает определенный входной канал и направляет его на специальное устройство.

Цифровые мультиплексоры

Цифровые оборудования делятся на мультиплексоры второго, первого и иных высоких уровней. Цифровые мультиплексоры дают возможность принимать сигналы цифрового типа из устройств низкого уровня. При этом можно их записать, образовать цифровое течение высокого уровня. Таким образом, входящие потоки синхронизируются. Также можно отметить, что они обладают одинаковыми скоростями.

Мультиплексоры используют в различных делителях частоты, специальных триггерных элементах, особых сдвигающихся устройствах и так далее. Их могут применять для того, чтобы преобразовать определенный параллельный двоичный код в последовательный.

Принцип устройства

Как показано на рис. 1 (а), предлагаемый реконфигурируемый широкополосный оптический модовый мультиплексор / демультиплексор состоит из одного 2 × 2 MMI-ответвителя и двух трехволновых структур связи. Каждая трехволновая структура связи состоит из двух одномодовых волноводов и многомодового волновода. Линейный адиабатический конус используется для соединения двух многомодовых волноводов и формирования шинного волновода. Два входных порта и один выходной порт обозначены соответственно X, Y и Z. Согласно принципу MMI, входной сигнал от порта X или Y будет разделен на две части с равными амплитудами и разностью фаз π/2, если длина многомодовой области L _MMI удовлетворяет L _MMI = 3 L _π/ 2, где L _π - длина биений двух мод низшего порядка [рис. 1 (б), (в)]. Два тепловых фазовращателя A и B используются для настройки фаз двух путей [рис. 1 (а)]. Если разность фаз двух разделенных световых лучей равна 0 или 2π, два разделенных световых пучка будут соединяться с шинным волноводом в форме моды четного порядка (TE ₀ или TE ₂ или TE ₄ или любой четной моды более высокого порядка, где распределение поля симметрично относительно оси волновода) в первой области трехволновой связи (TWCR1), и связанная мода четного порядка будет, наконец, направлена ​​на выходной порт Z [рис.1 (d)]. Многомодовый волновод TWCR1 спроектирован для поддержки нескольких режимов, а поддерживаемый режим высшего порядка является желаемым режимом четного порядка. Эффективный показатель преломления моды четного порядка в многомодовом волноводе TWCR1, который определяется шириной многомодового волновода, должен соответствовать эффективному показателю преломления моды TE ₀ в одномодовых волноводах для достижения эффективного преобразования (фаза соответствие условию). Если разность фаз двух разделенных световых пучков равна π, два разделенных световых пучка будут проходить через TWCR1 и продолжать распространяться в двух одномодовых волноводах без помех. Во втором TWCR (TWCR2) два разделенных световых луча с разностью фаз π будут соединяться в волновод шины и преобразовываться в режим нечетного порядка (TE ₁ или TE ₃ или TE ₅ или любой нечетный режим более высокого порядка, где распределение поля антисимметрично относительно оси волновода) [ рис. 1 (d)]. Многомодовый волновод TWCR2 спроектирован для поддержки нескольких режимов, а поддерживаемый режим высшего порядка является желаемым режимом нечетного порядка. Эффективный показатель преломления моды нечетного порядка в многомодовом волноводе TWCR2, который определяется шириной многомодового волновода, должен соответствовать эффективному показателю преломления TE ₀режим в одномодовых волноводах. В этом случае ширина многомодового волновода TWCR2 должна быть больше, чем у TWCR1, чтобы мультиплексированная мода четного порядка из TWCR1 могла распространяться в многомодовом волноводе TWCR2 и реализовывать функцию мультиплексирования мод. Поскольку два разделенных световых пучка имеют исходную разность фаз π / 2, существует два способа достижения полной разности фаз 0 или 2π. Первый подход заключается в подаче соответствующего напряжения на микронагреватель над одним из волноводов плеча (Arm1 или Arm2), который имеет небольшую фазу для компенсации разности фаз, другой подход заключается в подаче соответствующего напряжения на микронагреватель. выше одного из волноводов Arm (Arm1 или Arm2), который имеет большую фазу для настройки дополнительных 3π / 2. Те же методы могут быть приняты для реализации разности фаз π.

Рис. 1 Схема предлагаемого реконфигурируемого модового мультиплексора / демультиплексора (MMI: многомодовый интерференционный ответвитель, TWCR: трехволновая область связи). (a) схема устройства, (b) - (c) схема MMI 2 × 2, когда только X-вход и Y-вход соответственно, (d) - (e) схема TWCR, когда два световых луча распространяются в двух плечах с одинаковыми фазами и π-фазовой разницей соответственно, Φ ₁ и Φ ₂ являются фазами светового пучка в Arm1 и Arm2 соответственно, (f) - (k) схема предлагаемого устройства при различных рабочих состояниях, ΔΦ _A и ΔΦ _B являются настроенные фазы в фазовращателях A и B соответственно.

Без приложенного напряжения к нагревателям фаза в двух волноводах плеча будет отличаться из-за природы соединителя. Когда свет подключен из порта X, фаза разделенного света в плече 1 на π / 2 больше, чем фаза света в плече 2 [рис. 1(b) ]; когда свет подключен из порта Y, фаза разделенного света в плече 2 на π / 2 больше, чем разделенный свет в плече 1 [ рис. 1 (с) ]. Для одного сценария, если только фазовращатель B на плече 2 настроен на π / 2 (ΔΦ _A = 0, ΔΦ _B = π / 2), разность фаз двух оптических путей от входного порта X будет равна 0 до достижения TWCR1. В этом случае мода четного порядка будет возбуждена на TWCR1 и будет окончательно направлена ​​на выход Z [рис. 1 (б), (д), (е)]. Между тем, разность фаз двух оптических путей от входного порта Y будет равна π до прибытия в TWCR1, что приведет к отсутствию возбуждения в этой точке из-за ортогональности нечетной симметрии возбуждения от рук и четной симметрии доступных согласованный по фазе режим шины. Таким образом, свет будет продолжать распространяться в двух волноводах плеча, пока они не соединятся с модой нечетного порядка в многомодовом волноводе TWCR2 [рис. 1 (с), (е), (г) ]. Следовательно, когда свет одновременно поступает как из портов X, так и из портов Y, как режим четного порядка, так и режим нечетного порядка будут получены на выходе Z в состоянии ΔΦ _A = 0, ΔΦ _B = π / 2 [рис. 1 (ч)].

Для другого сценария, если только фазовращатель A над плечом 1 настроен на π / 2 (ΔΦ _A = π / 2, ΔΦ _B = 0), разность фаз двух трактов от входного порта X будет равна π до достижения TWCR1. свет не будет соединяться с шинным волноводом и будет продолжать распространяться в двух волноводах плеча до тех пор, пока он не соединится с шинным волноводом в TWCR2, и, наконец, будет преобразован в режим нечетного порядка [рис. 1 (с), (е), (г) ]. Между тем, разность фаз двух разделенных световых пучков от входного порта Y будет равна 0 до прибытия в TWCR1, эти два разделенных световых пучка будут соединяться с шинным волноводом на TWCR1 в форме режима четного порядка и будут, наконец, направлены до выхода Z [рис. 1 (с), (д), (j)]. Когда свет одновременно поступает как из портов X, так и из Y, как режим четного порядка, так и режим нечетного порядка будут получены на выходе Z в состоянии ΔΦ _A = π / 2, ΔΦ _B = 0 [рис.1 (к)]. Аналогичные результаты могут быть получены, если настроен только один из фазовращателей 3π / 2.

В соответствии с принципом, обсужденным выше, производительность предлагаемого режима мультиплексора / демультиплексора моделируется с использованием 3-мерного метода распространения пучка с конечной разностью (3D-FDBPM). Показатели преломления для кремния и диоксида кремния составляют 3,45 и 1,45 соответственно. Длина волны, используемая в моделировании, составляет 1550 нм. В целях иллюстрации результаты моделирования устройства, которое может мультиплексировать моды TE ₀ и TE _1, и устройства, которое может мультиплексировать моды TE ₂ и TE ₃, показаны на рис.2. Разница между этими двумя устройствами заключается в ширине многомодовых волноводов и длине связи TWCR, поскольку эти два устройства используются для мультиплексирования различных режимов. В состоянии настройки ΔΦ _A = 0 и ΔΦ _B = π / 2 (или ΔΦ _A = 3π / 2 и ΔΦ _B = 0), когда свет поступает из порта X, режим TE ₀ получается на рис. 2 (а); когда свет поступает из порта Y, режим TE ₁ получается на фиг. 2 (b); когда свет поступает из портов X и Y одновременно, они объединяются в два режима (TE ₁ + TE ₀) в шинном волноводе, как показано на рис. 2 (с). В состоянии настройки ΔΦ_A = π / 2 и ΔΦ _B = 0 (или ΔΦ _A = 0 и ΔΦ _B = 3π / 2), когда свет поступает из порта X, режим TE ₁ получается на фиг. 2 (d); когда свет поступает из порта Y, на рис. 2 (е) получается режим TE ₀; когда свет поступает из портов X и Y одновременно, они мультиплексируются в две моды (TE ₀ + TE ₁) в шинном волноводе на рис. 2 (f). Путем увеличения ширины многомодового волновода в TWCR1 для поддержки TE ₂ и ширины многомодового волновода в TWCR2 для поддержки TE ₃, получаются результаты мультиплексирования TE ₂и TE ₃ моды получены, как показано на фиг. 2 (г)-(л). Следует отметить, что предлагаемое устройство может реализовывать мультиплексирование в режиме более высокого порядка, выбирая различные ширины волновода шины, чтобы удовлетворить условию эффективного соответствия показателя преломления. Таким образом, мы можем сделать вывод, что когда свет поступает одновременно из обоих портов X и Y, они будут мультиплексированы в два режима в волноводе шины, и соотношение между входными портами и мультиплексированными модами зависит от разности фаз, вносимой фазовращателями, Тот факт, что два фазовращателя могут быть использованы для независимой настройки оптической фазы для реализации функции, значительно увеличивает гибкость устройства. Кроме того, одним из выдающихся преимуществ предлагаемого устройства является повышение надежности устройства.

Рис. 2 Моделируемые характеристики модовых мультиплексоров на основе трехволновой структуры связи. ΔΦ _A и ΔΦ _B являются фазами, на которые фазовращатели A и B настроены соответственно. (a) - (f) распределения мод устройства, которое может мультиплексировать основной и квазипоперечный электрический режим первого порядка. (g) - (l) распределения мод устройства, которые могут мультиплексировать режим второго порядка и режим третьего порядка. (a) (d) (g) (j) - распределения мод, когда свет поступает только из порта X, (b) (e) (h) (k) - распределения мод, когда свет поступает только из порта Y, (c ) (f) (i) (l) - распределения мод, когда свет поступает как из портов X, так и из портов Y соответственно.

Изготовление и экспериментальная установка

В качестве подтверждения концепции был изготовлен и продемонстрирован базовый реконфигурируемый режимный мультиплексор / демультиплексор, который может реализовывать реконфигурируемое мультиплексирование режима TE _{0 и} режима TE ₁. Устройство было изготовлено на 8-дюймовой пластине кремний-на-изоляторе с верхним слоем кремния 220 нм и заглубленным слоем диоксида кремния толщиной 3 мкм. Для уменьшения потерь на рассеяние, вызванных боковыми стенками, для построения предлагаемого устройства были приняты гребневые волноводы высотой 220 нм, толщиной сляба 70 нм, шириной 400 нм для одномодового волновода и шириной 880 нм для многомодового волновода. Для реализации эффективной связи между модой TE _{0 и} модой TE ₁, эффективные показатели преломления для моды TE ₀ в волноводе 400 нм и TE₁ мод волновода должен быть одинаковым. Ширина TE ₁Режим волновода выбран 880 нм, из которых эффективный показатель преломления рассчитывается около 2,42 на длине волны λ = 1550 нм. Адиабатическая линейная конусность, принятая для соединения двух многомодовых волноводов TWCR, имела длину 150 мкм. Ультрафиолетовая фотолитография с глубиной 248 нм была использована для определения структуры устройства, а индуктивно-связанная плазма (ICP) была использована для травления волноводов. Плазменное химическое осаждение из газовой фазы (PECVD) использовалось для нанесения слоя диоксида кремния толщиной 1500 нм. После этого нитрид титана (TiN) толщиной 120 нм и шириной 2 мкм осаждали над двумя плечами устройства для формирования теплового нагревателя для фазовой настройки. Затем слой диоксида кремния толщиной 500 нм был нанесен PECVD. Через отверстия протравливаются до слоя TiN, чтобы получить электрический доступ, и, наконец, алюминиевые провода вместе с прокладками изготавливаются для формирования металлического следа. На входных и выходных портах устройства изготавливаются преобразователи размера пятна для подачи/вывода света из устройства. Изготовленное устройство показано на рис.3, на котором частично увеличенные графики показывают MMI и два TWCR. Эффективная занимаемая площадь устройства, включая мультиплексор / демультиплексор с реконфигурируемым режимом и обычный демультиплексор на основе АЦП, используемый для демультиплексирования режимов TE ₀ и TE ₁ из мультиплексора / демультиплексора с реконфигурируемым режимом, составляет около 50 мкм × 1000 мкм. Порты ввода и вывода устройства имеют названия X, Y, P и Q соответственно. Левый АЦП демультиплексора режима используется для преобразования режима TE _1, полученного из мультиплексора / демультиплексора с реконфигурируемым режимом, в режим TE ₀ и для направления его на выходной порт P, в то время как правый АЦП используется для демультиплексирования TE _0. Режим, полученный от реконфигурируемого режима мультиплексора/ демультиплексора и для направления его на выходной порт Q. Длина левого и правого АЦП составляет 13,7 мкм и 9,2 мкм соответственно.

Рис. 3. Микрофотография изготовленного устройства. (а) микрофотография устройства, которое состоит из реконфигурируемого модового мультиплексора / демультиплексора и мультиплексора нормального режима, (b) - (d) частично увеличенные графики многомодового интерференционного ответвителя, первой области трехволновой связи и второй область трехволновой связи соответственно.

Экспериментальная установка, использованная для характеристики предложенного устройства, показана на рис. (4). Для измерения статических спектров используются источник усиленного спонтанного излучения (ASE), перестраиваемый источник напряжения (TVS) и анализатор оптического спектра (OSA). ASE используется для генерации широкополосного света по всей C-полосе. Обратное конусное одномодовое волокно используется для передачи света во входной порт тестируемого устройства. Напряжения, генерируемые TVS, применяются на площадках для настройки фазовращателей. На выходном порте устройства используется другое обратное сужающееся одномодовое волокно для подачи света и подачи его в OSA для измерения спектра. Согласно принципу работы, описанному в разделе 2, каждая настроенная фаза соответствует TE ₀ или TE _1. Режим мультиплексируется реконфигурируемым режимом мультиплексора и, таким образом, приводит к высокому и низкому уровню мощности в каждом выходном порту. Например, если свет поступает из порта X, когда приложенное напряжение на фазовращателе B увеличивается с 0, фаза света, распространяющаяся в плече под этим фазовращателем, будет увеличиваться. Как только увеличенная фаза достигнет π / 2, режим TE ₀ будет получен в мультиплексоре с реконфигурируемым режимом. Таким образом, свет на порту P будет на самом низком уровне, а мощность на порту Q будет на самом высоком уровне. Это напряжение затем выбирается в качестве напряжения для осуществления фазовой настройки ΔΦ _B = π / 2. Дальнейшее увеличение этого напряжения может реализовать ΔΦ _B = 3π / 2. Напряжения в других состояниях настройки также могут быть определены с использованием того же метода.

Рис. 4 Экспериментальная установка, используемая для характеристики изготовленного устройства (ASE: усиленное спонтанное излучение; TVS: перестраиваемый источник напряжения; DUT: тестируемое устройство; OSA: оптический анализатор спектра; TL: перестраиваемый лазер; OM: оптический модулятор; ПК: контроллер поляризации; BPG: генератор битовых комбинаций; EDFA: эрбиевый волоконный усилитель; OTF: оптически настраиваемый фильтр; DCA: анализатор цифровой связи).

Для изготовленного устройства существует два способа реализации реконфигурируемого режима мультиплексирования путем приложения соответствующих напряжений к фазовращателям, как упомянуто выше. На фиг. 5) показаны измеренные спектры статического отклика устройства. Когда широкополосный свет поступает из порта X, применяя напряжения V _A = 0 В и V _B = 3,3 В к фазовращателям A и B соответственно, свет, разделенный между двумя волноводами плеча, будет соединяться с шинным волноводом в форме TE ₀ в TWCR1, и, наконец, будет направлен на выход Q [рис. 2 (а) и 5 (с)]. Между тем оптическая мощность на выходе P-порта находится на низком уровне [рис. 5 (а)].

Рис. 5 Измеренные спектры статического отклика устройства, (a) - (b) спектры передачи от входных портов X и Y к выходному порту P при подаче различных напряжений на соответствующие фазовращатели, (c) - (d) спектры передачи от входных портов X и Y к выходному порту Q, когда различные напряжения подаются на соответствующие фазовращатели. (CT: перекрестные помехи).

Подавая напряжения V _A = 0 В и V _B = 6,1 В на фазовращатели A и B соответственно, свет, разделенный между двумя волноводами плеча, будет соединяться с шинным волноводом в форме моды TE ₁ на TWCR2, и, наконец, будет направленный на выход P [рис. 2 (d) и 5 (b)]. При этом оптическая мощность на выходе Q-порта находится на низком уровне [рис.5 (d)], что противоположно предыдущему случаю с приложенным напряжением V _A = 0 В и V _{B =} 3,3 В.

Аналогично, когда свет поступает из порта Y, мы ожидаем противоположных результатов по сравнению со светом, поступающим из порта X [рис. 5 (а)-(д)]. Все оптические перекрестные помехи (CT) на выходах P и Q меньше -14,3 дБ и -13,7 дБ соответственно. Вносимые потери для каналов мультиплексирования составляют около 10 дБ, что включает в себя около 6,0 дБ потери связи между устройством и внешними одномодовыми волокнами, когда свет подключается к устройству и выходит из него, около 0,5 дБ потери связи для MMI 2 × 2. , Потери на передачу 0,3 дБ, 1,1-2,0 дБ для TWCR1 и 1,2-2,8 дБ для TWCR2 в диапазоне длин волн 1525-1565 нм, 0,9-2,0 дБ и 0,7-1,8 дБ при распространении модового демультиплексора для TE ₀ и TE ₁моды в диапазоне длин волн 1525-1625 нм соответственно. Дальнейшая оптимизация может быть выполнена для демультиплексоров и структур TWCR, чтобы уменьшить вносимые потери каждого канала мультиплексирования.

Диаграммы глаза устройства также измерены. Для динамических измерений: перестраиваемый лазер (TL), оптический модулятор LiNbO ₃ (OM), контроллер поляризации (PC), TVS, генератор битовых комбинаций (BPG), волоконный усилитель на основе эрбия (EDFA), оптический настраиваемый фильтр (OTF) и цифровой анализатор связи (DCA) принимаются. Монохроматическая непрерывная волна, генерируемая TL, подается в LiNbO ₃ OM и ПК до того, как она подключается к входным портам изготовленного устройства. Модулятор LiNbO ₃ управляется псевдослучайной двоичной последовательностью (PRBS) 40 Гбит / с с длиной 2 ³¹-1 генерируется БПГ. Когда свет выводится из устройства, свет сначала усиливается EDFA, а затем фильтруется OTF, прежде чем он поступает в DCA для наблюдения за диаграммами глаз. BPG и DCA запускаются с одинаковым тактовым сигналом скорости со скоростью 40 Гбит / с. Для DCA чувствительность составляет> -5 дБм, а полоса пропускания - 65 ГГц. Волокна, используемые для направления света снаружи устройства, являются обычными одномодовыми волокнами. Кабели, принятые для передачи постоянного тока, данных PRBS и соответствующих часов, являются радиочастотными кабелями. Рис. 6 показывает измеренные диаграммы с открытым и открытым глазом для скорости передачи данных 40 Гбит/с. Обратите внимание, что рабочая длина волны устройства может охватывать всю С-полосу. Для ясности здесь показаны только результаты, измеренные при 1545 нм и 1555 нм. Если динамические сигналы со скоростью передачи данных 40 Гбит / с поступают из портов X и Y, общая пропускная способность реконфигурируемого устройства MDM может достигать 80 Гбит/с. За счет каскадирования более 2 × 2 MMI и нескольких TWCR общая пропускная способность устройства может быть значительно увеличена.

Рис. 6 Измеренные глазковые диаграммы для скорости передачи данных 40 Гбит / с.

Обсуждение итогов

Демонстрация функциональности концепции с помощью реконфигурируемого многомодового мультиплексора/демультиплексора низкого порядка. Однако мы полагаем, что предлагаемый реконфигурируемый режим мультиплексора может использоваться в качестве основного компонента для реализации расширенных функций. На рисунке 7 показаны два вида усовершенствованного реконфигурируемого режима мультиплексор / демультиплексор. Первый - это усовершенствованный реконфигурируемый двухмодовый мультиплексор, масштабированный путем каскадного подключения нескольких TWCR к шинному волноводу [рис. 7 (а)]. Ширины многомодовых волноводов в TWCR, таких как TWCR1, TWCR2 и TWCR3, предназначены для поддержки мод TE ₀, TE ₁ и TE ₂ соответственно, из которых эффективные показатели преломления должны быть равны TE _0. Два входных сигнала могут динамически мультиплексироваться в два произвольных режима в этом устройстве путем настройки фазовращателей, и, таким образом, гибкость устройства может быть значительно увеличена. Например, в состоянии настройки ΔΦ _A = 0, ΔΦ _B = π / 2, ΔΦ _C = 0, ΔΦ _D = 0, ΔΦ _E = 0 и ΔΦ _F = 0, когда свет поступает из порта Input1, TE Режим ₀ будет получен на TWCR1, когда свет поступает из порта Input2, режим TE ₁ будет получен на TWCR2; в состоянии настройки ΔΦ _A = π / 2, ΔΦ _B = 0, ΔΦ _C = 0, ΔΦ _D= 0, ΔΦ _E = 0 и ΔΦ _F = 0, когда свет поступает с порта Input1, режим TE ₁ будет получен на TWCR2, когда свет поступает с порта Input2, режим TE ₀ будет получен на TWCR1 ; в состоянии настройки ΔΦ _A = π / 2, ΔΦ _B = 0, ΔΦ _C = π, ΔΦ _D = 0, ΔΦ _E = 0 и ΔΦ _F = 0, когда свет поступает из порта Input1, режим TE ₂ будет получить на TWCR3, когда свет поступает из порта Input2, TE ₀режим будет получен на TWCR1; другие режимы могут быть получены путем изменения состояния настройки фазовращателей. Другим потенциальным применением является масштабируемый реконфигурируемый многомодовый мультиплексор, который может мультиплексировать множество входных сигналов путем каскадирования нескольких основных реконфигурируемых режимов мультиплексоров/демультиплексоров, описанных в разделе 2 [рис. 7 (b)]. Соотношение между входными сигналами и мультиплексированными режимами в этом устройстве может динамически изменяться в соответствии с принципом, обсуждаемым в разделе 2. Фазовращатели A, B и TWCR1, TWCR2 используются для реконфигурируемого мультиплексирования режимов TE ₀ и TE ₁, фазированных сдвигов C, D и TWCR3, TWCR4 используются для реконфигурируемого мультиплексирования TE ₂ и TE ₃режимы. Режимы более высокого порядка также могут быть реконфигурируемо мультиплексированы путем каскадирования более базовых реконфигурируемых мультиплексоров / демультиплексоров мод. Кроме того, могут быть проведены дальнейшие исследования предлагаемого базового реконфигурируемого режима мультиплексора/демультиплексора для реализации других расширенных функций.

Рис. 7 Два вида мультиплексора / демультиплексора расширенного реконфигурируемого режима, масштабируемые предлагаемым мультиплексором / демультиплексором основного реконфигурируемого режима, (a) реконфигурируемый мультиплексор двух произвольных режимов, (b) реконфигурируемый мультимодулера.

Вывод

Таким образом, мы предлагаем и демонстрируем базовый реконфигурируемый широкополосный оптический мультиплексор / демультиплексор с использованием MMI 2 × 2 и двух TWCR. Основной компонент состоит из реконфигурируемого модового мультиплексора / демультиплексора, который может мультиплексировать два входных основных квазипоперечных электрических режима в два произвольных режима. Предлагается два вида усовершенствованного реконфигурируемого режима мультиплексора / демультиплексора на основе базового реконфигурируемого мультиплексора / демультиплексора. В качестве доказательства концепции изготовлен и продемонстрирован базовый реконфигурируемый оптический мультиплексор / демультиплексор, который может мультиплексировать основной и квазипоперечный электрический режим первого порядка. Спектры статического отклика показывают, что оптические перекрестные помехи на выходных портах устройства составляют менее -14,3 дБ и -13,7 дБ во всей полосе C (более 40 нм) соответственно. Диаграммы четких и открытых глаз для передачи данных со скоростью 40 Гбит/с по всем каналам мультиплексирования успешно продемонстрированы. Продемонстрированное устройство, характеризуемое реконфигурируемостью и масштабируемостью, будет иметь приложения для развертывания MDM в сложных оптических сетях.

Список использованной литературы

1. Таубенблатт М.А. Оптические межсоединения для высокопроизводительных вычислений. J. Lightwave Technol. 30 (4), 448–457 (2012).

2. Л. Ян, Т. Чжоу, Х. Цзя, С. Л. Ян, Дж. Ф. Дин, Х. Фу и Л. Чжан, «Общие архитектуры для внутрипроцессного оптического пространства и переключения режимов», Оптика 5 (2), 180 –187 (2018).

3. К. Чжан, С. Дж. Чжан, Дж. Д. Петерс и Дж. Э. Бауэрс, «Полностью интегрированная кремниевая фотонная сеть на чипе со скоростью 8 × 8 × 40 Гбит / с», Optica 3 (7), 785–786 (2016).

4. Р.В. Ткач, «Масштабирование оптической связи на следующее десятилетие и далее», Bell Labs Tech. J. 14 (4), 3–9 (2010).

5.https://yandex.ru/turbo?text=https%3A%2F%2Fhqsignal.ru%2Fsredstva%2Fnet%2Fmultipleksor-i-demultipleksor.html

6. https://opticstoday.com/katalog-statej/stati-na-russkom/volokonno-opticheskie-texnologii/metody-multipleksirovaniya-opticheskix-kanalov-svyazi.html

Код для цитирования: Скопировать