Αμιγώς οπτικά συστήματα ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών για δρομολόγηση σε υψίρρυθμα οπτικά δίκτυα μεταγωγής

Abstract

The deployment of optical communication networks that support the emerging bandwidth demanding applications relies on the evolution of photonic integration technology. Photonic integrated circuits comprise the fundamental building blocks that promise to exploit the outmost of the speed of light by replacing their electronic counterparts that are used for signal processing and data forwarding at an intermediate transmission node. The main objective of this PhD thesis is the design and the investigation of all-optical SOA-based signal processing circuits for operation in high speed packet-switched networks. SOAs used in interferometric configurations (SOA-MZIs) have attracted much attention for the realization of all-optical signal processing functionalities like wavelength conversion, 2R regeneration, packet envelope detection and clock recovery, comprising complex photonic circuits. In the framework of this work, an analytical theoretical model was developed describing the SOA-MZI transfer function in the frequency domain, in order to evaluate the performance of the above network functionalities with respect to the SOA physical properties and its operational speed capabilities. The theoretical model relies on simplified mathematical expressions based on first-order perturbation theory approximations, yielding operation independent of the data type and modulation format. Hence, it is possible to design the response of optical components with desired properties as part of more complex circuits, which is very important for the development of photonic integrated circuits with high integration densities. The theoretical SOA-MZI transfer function was experimentally verified for different operating regimes that correspond to packet envelop detection, clock recovery and wavelength conversion. The theoretical model was also used as a tool for evaluating three different SOA-MZI all-optical wavelength conversion circuits: a) standard scheme, b) bidirectional scheme and c) differentially biased scheme. The theoretical results are verified experimentally at 40 Gb/s. In the second part of this PhD thesis, all-optical packet clock recovery functionality was investigated exploiting the non-linear properties of QD-SOAs and the size distribution of quantum dots exhibiting a number of advantages with respect to their bulk counterparts. The proposed circuit is capable of multi-wavelength operation on a per packet basis, owing to the discrete spectral regions that lie under the inhomogeneous gain profile of the QD-SOA and act as independent signal processing units for every input wavelength that is confined therein. The performance of the QD-SOA-based circuit for clock recovery on a per packet and a per wavelength basis was investigated through numerical simulations in Matlab at 40 Gb/s and 160 Gb/s and then it was experimentally evaluated at 40 Gb/s.

Η εξέλιξη των οπτικών δικτύων ώστε να υποστηρίζουν τις σύγχρονες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης που επιτάσσει η σημερινή εποχή στηρίζεται στην ανάπτυξη της φωτονικής τεχνολογίας. Τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο για την μετάβαση αυτή, καθώς η χρήση τους υπόσχεται να αξιοποιήσει στο μέγιστο την ταχύτητα του φωτός αντικαθιστώντας τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που υπάρχουν σε ένα κόμβο επεξεργασίας και προώθησης δεδομένων. Το βασικό αντικείμενο της διατριβής είναι ο σχεδιασμός και η μελέτη αμιγώς οπτικών κυκλωμάτων επεξεργασίας σήματος που βασίζονται στη χρήση οπτικών ενισχυτών ημιαγωγού (SOAs) για λειτουργία σε υψίρρυθμα δίκτυα μεταγωγής πακέτων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι συμβολομετρικές διατάξεις SOA-MZI για την υλοποίηση των λειτουργικών διεργασιών μετατροπής μήκους κύματος, 2R αναγέννησης, ανίχνευσης περιβάλλουσας πακέτου και ανάκτησης σήματος ρολογιού για κάθε εισερχόμενο πακέτο πληροφορίας, οι οποίες έχουν αποτελέσει βασικό δομικό στοιχείο πολυσύνθετων κυκλωμάτων. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκε ένα ενιαίο θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει την φασματική συνάρτηση μεταφοράς του διακόπτη SOA-MZI σε σχέση με τα φυσικά χαρακτηριστικά των SOAs και το εύρος λειτουργίας, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση των παραπάνω λειτουργικών διεργασιών του δικτύου. Το μοντέλο στηρίζεται σε απλουστευμένες αναλυτικές μαθηματικές εκφράσεις της θεωρίας διαταραχών οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν για λειτουργία ανεξάρτητα από το είδος και τον τύπο διαμόρφωσης των δεδομένων του σήματος. Με τον τρόπο αυτό, καθίσταται δυνατός ο προσδιορισμός των επιθυμητών ιδιοτήτων του στοιχείων που απαρτίζουν το κύκλωμα, πριν ακόμη από την διαδικασία της ανάπτυξης του φωτονικού chip, γεγονός που αποδεικνύεται ιδιαίτερα σημαντικό για υψηλές τιμές της πυκνότητας ολοκλήρωσης. Η θεωρητική φασματική συνάρτηση μεταφοράς του διακόπτη SOA-MZI επιβεβαιώθηκε πειραματικά και ανάλογα με την επίδραση που έχει φάσμα συχνοτήτων ενός σήματος δεδομένων αναγνωρίστηκαν οι συνθήκες λειτουργίας για ανίχνευση περιβάλλουσας πακέτου, ανάκτηση σήματος ρολογιού και μετατροπή μήκους. Στη συνέχεια, το θεωρητικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε ως εργαλείο για την αξιολόγηση τριών διατάξεων SOA-MZI για μετατροπή μήκους κύματος και αναγέννησης 2R: α) απλή συνδεσμολογία, β) αντίρροπη συνδεσμολογία και γ) συνδεσμολογία διαφορικού ελέγχου, ως συνάρτηση της ποιότητας των παλμών του σήματος και της ταχύτητας λειτουργίας. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν πειραματικά στα 40 Gb/s. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η λειτουργία ενός κυκλώματος ανάκτησης σήματος ρολογιού για λειτουργία πακέτων, το οποίο βασίζεται στις μη-γραμμικές ιδιότητες των οπτικών ενισχυτών ημιαγώγιμων κβαντικών τελειών (QD-SOAs) και στη διασπορά του μεγέθους των κβαντικών τελειών. Το κύκλωμα έχει τη ικανότητα να λειτουργήσει σε περισσότερα από ένα μήκη κύματος ταυτόχρονα λόγω της ύπαρξης διακριτών φασματικών περιοχών κέρδους που συνεισφέρουν στο συνολικό κέρδος του QD-SOA και δρουν σαν ανεξάρτητες μονάδες επεξεργασίας σήματος για κάθε εισερχόμενο μήκος κύματος που εμπίπτει σε αυτές, γεγονός που δεν είναι εφικτό με τη χρήση των οπτικών ενισχυτών συμπαγούς ημιαγωγού (bulk-SOAs). Η απόδοση της λειτουργίας του κυκλώματος αξιολογήθηκε μέσω προσομοιώσεων στο περιβάλλον αριθμητικής υπολογιστικής Matlab στα 40 και 160 Gb/s και μέσω πειραμάτων στα 40 Gb/s.