Forscher demonstrieren verlustarmes und polarisationsunabhängiges integriertes optisches farbloses ROADM

Die Implementierung integrierter optischer Schalter verspricht eine Größenreduzierung von ROADMs für mehr Flexibilität und Kompaktheit, was letztendlich zu robusten Einzelchiplösungen führt. Trotz jahrzehntelanger Forschung an Schaltern mit unterschiedlichen Strukturen und Plattformen bleibt es eine große Herausforderung, ein Gleichgewicht zwischen dichter Integration, geringem Einfügungsverlust (IL) und polarisationsabhängigem Verlust (PDL) zu erreichen.

In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team unter der Leitung von Professor Sai Tak Chu vom Fachbereich Physik der City University of Hong Kong, Hongkong, China, und Dr. Brent E. Little von QXP Technologies Inc., Xi’an, China, zusammen mit ihren Mitarbeitern demonstrierte ein verlustarmes und polarisationsunabhängiges integriertes optisches farbloses ROADM.

Der 32 x 4 optische Schalter ist so konzipiert, dass er jeden der 32 Eingänge zu den Express-Ports weiterleitet oder alle Kanäle von 32 Eingängen zu den 4 Ziel-Drop-Ports abzweigt oder einen der 4 Ports zu einem der 32 Express-Kanäle hinzufügt.

Bei 1550 nm liegt der Faser-zu-Faser-Verlust für jeden Express-Kanal unter 2 dB und im C- und L-Band unter 3 dB. Für jeden Eingangskanal zu allen 4 Drop/Add-Kanälen bei 1550 nm beträgt der Verlust weniger als 3,5 dB und weniger als 5 dB im C- und L-Band. Die PDLs für alle Express- und Eingangskanäle zu den 4 Drop/Add-Kanälen liegen über dem C-Band unter 0,3 dB, und das Übersprechen liegt sowohl im C- als auch im L-Band unter -50 dB.

Der ROADM basiert auf der Plattform aus hochindexdotiertem Quarzglas (HDSG) von QXP Technologies Inc. und verfügt über einen einstellbaren Wellenleiter-Indexkontrast von 10 % bis 20 %, der niedriger ist als bei den Si- und SiN-Wellenleitern, aber höher als der niedrige Indexkontrast-Quarzwellenleiter. Es stellt ein Gleichgewicht zwischen Faserkopplungsverlust, Ausbreitungsverlust und PDL her und behält gleichzeitig eine hohe Integrationsdichte bei.

Mit Hilfe monolithisch integrierter Punktgrößenwandler beträgt der Kopplungsverlust von Standard-Single-Mode-Fasern (SMF) mit einem Modenfelddurchmesser von 10,4 mm in Wellenleiter mit 2 mm x 2 mm großen Modenfeldern weniger als 0,4 dB/Facette Der PDL liegt im C- und L-Band unter 0,07 dB. Diese Eigenschaften von geringem Verlust und niedrigem PDL machen die Plattform vielversprechend für die Integration von Schaltgeräten.

Der Schalter besteht aus 188 Schaltelementen vom Typ MZI. Die gemessenen Faser-zu-Faser-Verluste auf Express- und Drop-Kanälen des vollständig optisch und elektronisch verpackten Geräts liegen innerhalb von 3 dB bzw. unter 5 dB für 32 Kanäle im C- und L-Band. Der PDL des Geräts liegt im C-Band unter 0,3 dB. Außerdem sind 32 variable optische Dämpfungsglieder (VOAs) integriert, und der PDL liegt im C-Band bei einer VOA-Dämpfung von 10 dB unter 1 dB.

Die Forscher fassten das Designprinzip ihres ROADM zusammen:

„Die Schaltmatrix besteht außerdem aus insgesamt 618 Wellenleiter-Wellenleiter-Kreuzungen, die sowohl zur IL als auch zum Übersprechen beitragen können. Um den durch die Kreuzungen verursachten Verlust und das Übersprechen zu begrenzen, sind die Wellenleiter auf zwei vertikale Schichten verteilt, um die Wellenleiter zu ermöglichen einander überkreuzen.

„Mit diesem Ansatz können wir das Übersprechen auf weniger als -50 dB für die Express-Kanäle und -40 dB für die Add/Drop-Kanäle reduzieren.“

Sie fügten hinzu: „Um dem dreidimensionalen Design gerecht zu werden, umfasst das Design außerdem zusätzliche 88 optische Durchkontaktierungen und 44 optische Brücken, um die Wellenleiter zwischen den Schichten zu verbinden.“

„Der optische Schalter ist ein grundlegendes Element optischer Schaltkreise. Der vorgestellte verlustarme und polarisationsunabhängige Schalter kann der Entwicklung programmierbarer photonischer integrierter Schaltkreise in Anwendungen wie optischen neuronalen Netzen und integrierter Quantenphotonik zugute kommen.“