Μελέτη υποσυστημάτων αμιγώς οπτικής μετατροπής μήκους κύματος και αναγέννησης για τηλεπικοινωνιακά δίκτυα πολυπλεξίας μήκους κύματος

Abstract

In this thesis, we study all-optical processing techniques based on non-linear semiconductor optical amplifiers for the functionalities of second and third generation optical networks. In particular, devices for all-optical wavelength conversion with regenerative properties have been investigated. The configurations under investigation are based on the non-linear four-wave mixing process which arises when fields with proper spectral and power arrangement are coupled into the active medium. The performance characteristics of the devices are determined by the properties of the optical amplifier as well as by the operating conditions like the gain of the optical amplifier, the power levels and the frequency detuning of the pump and the information signal. In the first part of this thesis, the noise properties of the converted signal generated by the four-wave mixing based wavelength conversion process were investigated. The investigation of the noise characteristics was carried out by a theoretical analysis and the corresponding experimental confirmation, including the separate study of noise induced by the four wave mixing process itself and the amplified spontaneous emission noise from the amplifier. The study of the noise properties at the new wavelength was performed for the intensity as well as the phase noise of the converted signal. The useful conclusions from this study were used for the investigation of the regenerative properties of the mixing process. The second part of this thesis starts with the experimental investigation and the confirmation of the regenerative properties of the four wave mixing process in a semiconductor optical amplifier. The regeneration and simultaneous wavelength conversion of 2.5 Gbps optical signals is experimentally demonstrated. Furthermore, the second part includes the design and optimization by numerical simulation of a wavelength conversion system with regenerative properties, for use in nodes of wavelength division multiplexing optical networks. In this thesis, an alternative configuration for the pump and data signal is proposed for the first time, in order to obtain non-linear response from the optical amplifier. Based on this approach the new signal exhibits improved noise characteristics and lower bit error rate. The numerical investigation showed successful regenerative operation at 40 Gbps.

Σε αυτή τη διατριβή μελετούμε νέες τεχνικές αμιγώς οπτικής επεξεργασίας σήματος για οπτικά δίκτυα δεύτερης και τρίτης γενιάς, οι οποίες βασίζονται σε μη γραμμικούς ημιαγωγικούς οπτικούς ενισχυτές. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκαν διατάξεις οι οποίες επιτελούν λειτουργίες μετατροπής μήκους κύματος με αναγεννητικά χαρακτηριστικά. Οι διατάξεις εκμεταλλεύονται το μη γραμμικό φαινόμενο της μίξης τεσσάρων κυμάτων που εγείρεται εφόσον κύματα κατάλληλης ισχύος και φασματικής απόστασης εισαχθούν σε ενεργό μέσο. Οι επιδόσεις και οι ιδιότητες των διατάξεων επεξεργασίας σήματος καθορίζονται από τα χαρακτηριστικά των οπτικών ενισχυτών, καθώς και από τις συνθήκες λειτουργίας όπως η απολαβή του οπτικού ενισχυτή, η ισχύς και η φασματική απόσταση των κυμάτων άντλησης και πληροφορίας που χρησιμοποιούνται. Στο πρώτο μέρος της εργασίας αυτής παρέχεται μια θεωρητική ανάλυση και η πειραματική επιβεβαίωση των ιδιοτήτων θορύβου της μετατροπής μήκους κύματος μέσω της διαδικασίας της μίξης τεσσάρων κυμάτων. Μελετώνται ξεχωριστά η επίδραση της διαδικασίας της μίξης τεσσάρων κυμάτων και του θορύβου αυθόρμητης εκπομπής από τον οπτικό ενισχυτή στα χαρακτηριστικά θορύβου του σήματος στο νέο μήκος κύματος, για δύο περιπτώσεις. Η πρώτη περίπτωση αφορά τον θόρυβο πλάτους και η δεύτερη τον θόρυβο φάσης του σήματος στην έξοδο. Από την μελέτη εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα τα οποία χρησιμοποιούνται για την διερεύνηση των αναγεννητικών χαρακτηριστικών της διαδικασίας της μίξης. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας αυτής πραγματοποιείται η πειραματική επιβεβαίωση των αναγεννητικών χαρακτηριστικών της διαδικασίας της μείξης τεσσάρων κυμάτων σε οπτικό ημιαγωγικό ενισχυτή. Επιτυγχάνεται πειραματικά η αναγέννηση διαμορφωμένων οπτικών σημάτων ρυθμού 2.5 Gbps με ταυτόχρονη μετατροπή μήκους κύματος. Στην συνέχεια πραγματοποιείται η σχεδίαση και η βελτιστοποίηση μέσω αριθμητικής προσομοίωσης ενός συστήματος μετατροπής μήκους κύματος με ιδιότητες αναγέννησης διαμορφωμένων οπτικών σημάτων, για χρήση σε κόμβους δικτύων πολυπλεξίας μήκους κύματος. Στην εργασία αυτή προτείνεται για πρώτη φορά μια εναλλακτική διάταξη των κυμάτων άντλησης και πληροφορίας για την εκμετάλλευση της μη γραμμικής απόκρισης του οπτικού ενισχυτή και προκειμένου το νέο κύμα να φέρει βελτιωμένα χαρακτηριστικά θορύβου και άρα μικρότερο ρυθμό σφαλμάτων. Η θεωρητική διερεύνηση έδειξε επιτυχή λειτουργία σε ρυθμούς μέχρι 40 Gbps.