Design and simulation of a hybrid wavelength selective switch with silicon nitride photonic integrated circuits

Abstract

Reconfigurable optical add drop multiplexers (ROADMs) provide large capacity and flexible wavelength division multiplexing (WDM) networking in long-haul, metro, core, data center interconnect and enterprise networks. The switch fabric of the ROADMs is formed by wavelength selective switches (WSSs), vital devices that route any wavelength to any node in metro-core mesh topologies. The WSS uses liquid crystal on silicon (LCoS), to route the demultiplexed and spatially resolved signals to any output port. Conventional WSS devices use fiber arrays with attached lenslets to inject and couple light in and out of the structure. They also use bulky optical elements to control the polarization, increasing the total cost and assembly complexity of the device. In the present thesis, a hybrid WSS scheme has being investigated, taking advantage of the integrated waveguide technology to emit, receive, and control the polarization using a single passive photonic chip, while the de(mux) and spatial switching operations continue to rely on the diffraction grating and LCoS, respectively. In this new hybrid integrated/free-space architecture, the SiN OPAs emit multiple input channels simultaneously in the properly arranged optical setup, projecting them onto the 4k LCoS panel. Each OPA can independently steer its beam and target any region across the LCoS panel. This innovative scheme unlocks and adds an extra switching degree of freedom, expanding the horizon for the design and realization of next-generation hybrid WSS systems. The proposed hybrid WSS demonstrates a 8×Nout scheme at 200GHz channel spacing, operating with steering angles up to ±4.9°, while directing any wavelength to any well-defined pixelated region of the LCoS. To complement the photonic chip in terms of polarization management, polarization beam splitter (PBS) and polarization rotator (PR) devices were also designed in the thesis. A very-high performing PBS with a polarization extinction ratio (PER) above 30 dB across the SCL-band was thoroughly simulated and optimized based on the evanescent mode coupling principle. In addition, an efficient and compact PR was designed based on mode hybridization. Moreover, an asymmetric SiN power splitter based on multimode interference was also investigated for its capability to provide diverse power levels, with the corresponding measurement results showing great agreement with the simulations. The computational studies conducted in this thesis merge the free-space based (de)multiplexing optics of a conventional WSS with the advanced beamsteering offered by the SiN OPA technology. In this way, a new hybrid scheme arises for WSS devices that expands the spatial switching operations. Extensive photonic and raytracing simulations demonstrate that this novel hybrid WSS not only operates with SiN OPAs, but also extends its switching capabilities with the beamsteering offered by the OPAs. Throughout this thesis and for the first time in literature, a hybrid WSS is proposed utilizing SiN OPAs in its integrated frontend as beamformers, able to direct multiple beams to any desired location upon the LCoS panel. The findings and conclusions of the thesis aim for the design and development of highly advanced and sustainable ROADM nodes and communication links for future metro area network interconnections.

Οι πολυπλέκτες ευέλικτης οπτικής αναδρομολόγησης, ή αλλιώς ROADM, παρέχουν στα δίκτυα τη δυνατότητα μαζικής μετάδοση πληροφορίας, καθώς και την ευέλικτη πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος. Βρίσκουν εφαρμογή σε δίκτυα μεγάλων αποστάσεων, αστικά δίκτυα, δίκτυα κορμού, διασυνδέσεις κέντρων δεδομένων και εταιρικά δίκτυα. Ο πίνακας μεταγωγής των ROADM αποτελείται από μεταγωγείς μήκους κύματος (WSS), οι οποίοι αποτελούν ζωτικής σημασίας διατάξεις για τις πλεγματικές τοπολογίες μητροπολιτικών και δικτύων κορμού, επιτρέποντας τη δρομολόγηση οποιουδήποτε μήκους κύματος προς οποιονδήποτε κόμβο. Οι WSS αξιοποιούν υγρούς κρυστάλλους επί πυρίτιο (LCoS) για να δρομολογήσουν τα εισερχόμενο σήματα προς οποιαδήποτε έξοδο. Συμβατικά WSS χρησιμοποιούν συστοιχίες οπτικών ινών σε συνδυασμό με μικροφακούς προσαρμοσμένους σε αυτές για την εκπομπή και σύζευξη του φωτός, αυξάνοντας όμως έτσι την πολυπλοκότητα και το κόστος. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκε μία υβριδική αρχιτεκτονική WSS που αξιοποιεί την τεχνολογία ολοκληρωμένων κυματοδηγών στην πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου (SiN) για την εκπομπή, τη λήψη και τον έλεγχο της πόλωσης. Σε αντίθεση με τις κλασικές αρχιτεκτονικές WSS, οι συστοιχίες κυματοδηγών που διερευνήθηκαν σε αυτή τη διατριβή έχουν την ικανότητα να κατευθύνουν τη διεύθυνση της εκπεμπόμενης δέσμης. Σε αυτό το νέο υβριδικό σχέδιο, πολλαπλές συστοιχίες φάσης SiN εκπέμπουν ταυτόχρονα τα κανάλια εισόδου εντός μιας κατάλληλα διαμορφωμένης οπτικής διάταξης, τα οποία προβάλλονται πάνω στο πάνελ μεταγωγής ενός 4k LCoS. Κάθε συστοιχία μπορεί να στρέφει τη δέσμη και να στοχεύει οποιαδήποτε περιοχή πάνω στο πάνελ του LCoS. Αυτό το πρωτότυπο σχέδιο ξεκλειδώνει ένα επιπλέον βαθμό ελευθερίας στη χωρική μεταγωγή, επεκτείνοντας με αυτόν τον τρόπο τον ορίζοντα στον σχεδιασμό και την υλοποίηση πρωτοποριακών υβριδικών WSS επόμενης γενιάς. Η εισηγούμενη υβριδική διάταξη WSS επιδεικνύει έναν αριθμό καναλιών 8×Nout με 200 GHz φασματική απόσταση, λειτουργώντας με γωνίες στρέψης δεσμών έως και τις ±4.9° και κατευθύνοντας οποιαδήποτε δέσμη σε οποιαδήποτε διακριτοποιημένη περιοχή του LCoS πάνελ. Η διαχείριση της κατάστασης πόλωσης του φωτός καθίσταται απαραίτητη για το φωτονικό τσιπ SiN με τις συστοιχίες φάσης. Σχεδιάστηκε και βελτιστοποιήθηκε ένας διαχωριστής πόλωσης με παράγοντα απόδοσης άνω των 30dB στην ευρυζωνική μπάντα SCL (1500 έως 1620nm), βασιζόμενος στη τεχνική κατευθυντικής σύζευξης των τρόπων. Επιπλέον, σχεδιάστηκε ένας αποδοτικός περιστροφέας πόλωσης βασιζόμενος στην υβριδοποίησης τρόπων. Επιπροσθέτως, διερευνήθηκε ένας ασύμμετρος διαχωριστής ισχύος βασιζόμενος στην πολύτροπη παρεμβολή, με την ικανότητα να παρέχει ποικίλα επίπεδα οπτικής ισχύος στις εξόδους, και με τα πειραματικά αποτελέσματα να συμφωνούν με τις προσομοιώσεις. Οι υπολογιστικές μελέτες που διεξήχθησαν στη παρούσα διατριβή συγχωνεύουν την (απο)πολυπλεξία που παρέχουν τα καθιερωμένα οπτικά συστήματα WSS με την εξελιγμένη τεχνική στρέψης δέσμης που προσφέρουν οι SiN οπτικές συστοιχίες φάσης. Οι εκτενείς προσομοιώσεις σε φωτονικό επίπεδο και ιχνηλάτισης ακτίνων αποδεικνύουν ότι αυτή η υβριδική διάταξη WSS μπορεί όχι μόνο να λειτουργήσει σε συνδυασμό με τις SiN συστοιχίες, αλλά και να επεκτείνει τις ικανότητες χωρικής μεταγωγής αξιοποιώντας την στρέψη δεσμών. Σε αυτή τη διατριβή, και για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία, προτάθηκε ένας υβριδικός WSS που διαχειρίζεται SiN οπτικές συστοιχίες φάσης στο φωτονικά ολοκληρωμένο κύκλωμα εισόδου/εξόδου. Τα ευρήματα και συμπεράσματα της διατριβής έχουν στόχο την σχεδίαση και ανάπτυξη εξελιγμένων και βιώσιμων κόμβων ROADM και τηλεπικοινωνιακών διασυνδέσεων για επόμενης γενιάς αστικά δίκτυα και δίκτυα μεγάλων αποστάσεων.