Μελέτη συζευγμένων ημιαγωγικών λέιζερ και εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες και στα δίκτυα

Abstract

The aim of this thesis is to theoretically and experimentally investigate the nonlinear dynamics of coupled semiconductor lasers, in various network topologies and under different operating conditions. Theoretical and numerical studies have shown that the optical emission characteristics of coupled semiconductor lasers vary, depending on critical device and network parameters, covering a full range of operation from constant wave, periodic to chaotic behavior. Star, full mesh and ring network topologies were adopted in our numerical and experimental studies and thus are thoroughly described. The nodes of the aforementioned network architectures proved capable of exhibiting synchronized chaotic optical outputs and in special cases at zero-lag.Furthermore, the sensitivity of these networks to new node connections and node disconnections is examined. It is proven that such network changes can be generally detected. The effect that discrepancies in the values of the intrinsic semiconductor lasers characteristics have on the quality of synchronization is investigated. The results aided in forming the construction requirements of semiconductor lasers that would participate in the experimental implementation of these networks.Noise and laser mismatch induced instabilities cause desynchronization events that result in burst errors in temporal synchronization. These instabilities are detected and quantified. The influence of the intrinsic semiconductor lasers characteristics as well as of crucial network parameters, on the appearance and duration of these desynchronization events is evaluated. Alternatives to improve the quality of synchronization are proposed and examined.The first large scale network implementation of bidirectionally coupled semiconductor lasers with long interacting cavities, is presented. The agreement of theoretical studies and numerical simulations with the results of the experimental networks is examined. Finally, applications based on the aforementioned theoretical, numerical and experimental studies are proposed and evaluated.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορική διατριβής αποτέλεσε η θεωρητική και πειραματική μελέτη της μη γραμμικής δυναμικής συμπεριφοράς συζευγμένων ημιαγωγικών λέιζερ, στο πλαίσιο διαφόρων δικτυακών τοπολογιών και υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Από τις μελέτες προσομοίωσης προέκυψε ότι τα χαρακτηριστικά οπτικής εκπομπής των συζευγμένων ημιαγωγικών λέιζερ ποικίλουν, ανάλογα με τις τιμές κρίσιμων εγγενών και δικτυακών παραμέτρων, καλύπτοντας ένα πλήρες εύρος λειτουργίας, από την συνεχή εκπομπή (constant wave), την περιοδική εκπομπή μεταβλητής συχνότητας, έως την χαοτική συμπεριφορά. Στη συνέχεια αναλύθηκαν οι δικτυακές τοπολογίες αστέρα, πλήρους πλέγματος και δακτυλίου, οι οποίες υιοθετήθηκαν στις αριθμητικές και στις μετέπειτα πειραματικές μελέτες. Για κάθε δικτυακή αρχιτεκτονική ερευνήθηκαν μέσω προσομοιώσεων τα δυναμικά χαρακτηριστικά της οπτικής εκπομπής των λέιζερ και η ποιότητα του συγχρονισμού τους. Οι κόμβοι των δικτύων παρουσίασαν συγχρονισμένες χαοτικές εξόδους και σε ειδικές περιπτώσεις με μηδενική καθυστέρηση (zero-lag). Στη συνέχεια εξετάστηκε η ευαισθησία των δικτύων αυτών σε συνδέσεις και αποσυνδέσεις κόμβων και αποδείχθηκε πως μια τέτοια μεταβολή του δικτύου μπορεί να ανιχνευθεί. Επιπλέον, ερευνήθηκε η επίδραση των διαφορών στις τιμές των εγγενών χαρακτηριστικών των ημιαγωγικών λέιζερ που συμμετέχουν στο δίκτυο, στην ποιότητα του συγχρονισμού τους. Από τα αποτελέσματα προέκυψαν οι κατασκευαστικές απαιτήσεις των ημιαγωγικών λέιζερ που θα συμμετείχαν στην πειραματική υλοποίηση των εν λόγω δικτύων. Αστάθειες στο συγχρονισμό εξαιτίας του θορύβου ή των διαφορών στα εγγενή χαρακτηριστικά των ημιαγωγικών λέιζερ εντοπίστηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν. Αξιολογήθηκε η επιρροή των δικτυακών παραμέτρων, καθώς και των εγγενών χαρακτηριστικών των ημιαγωγικών λέιζερ στην εμφάνιση και διάρκεια αυτών των παραθύρων αποσυγχρονισμού. Προτάθηκαν πιθανές εναλλακτικές λύσεις για την βελτίωση της ποιότητας του συγχρονισμού.Παρουσιάζεται η πρώτη πειραματική υλοποίηση δικτύων μεγάλης κλίμακας, αμφίδρομα συζευγμένων ημιαγωγικών λέιζερ, σε μεγάλες αποστάσεις. Εξετάστηκε η συμφωνία των θεωρητικών μελετών και των αριθμητικών προσομοιώσεων με τα αποτελέσματα της πειραματικής υλοποίησης. Τέλος προτάθηκαν εφαρμογές βασισμένες στα θεωρητικά σχήματα και τις πειραματικές υλοποιήσεις που μελετήθηκαν.