Microring resonator design with application to performance improvement of optically and electrically modulated semiconductor optical amplifier

Abstract

In recent years there has been intense research interest in using Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) for signal amplification and encoding in fiber optic communication systems and networks. In optical modulation, SOAs are used as booster amplifiers, as in-line amplifiers, and as pre-amplifiers. However, these applications are limited by the SOA finite carrier lifetime and consequently their irregular gain saturation which causes the pattern effect, where the amplified data are distorted. In electrical modulation, SOAs are used as intensity modulators, through their direct modulation of their current, in applications such as radio over fiber and broadband passive optical access networks. However, the SOA’s modulation bandwidth is limited to 2.5 GHz and therefore cannot support the high data rates of these applications. To address this problem in both cases of SOA operation, this dissertation proposed, investigated, and demonstrated the use of a single microring resonator (MRR) as an optical notch filter. After the identification of the necessary conditions which must be satisfied so that the MRR acts as notch filter, the technological feasible criteria for design the MRR with regard to its radius have been specified and these have been applied to significantly improve the pattern-dependent SOA performance as well as the quality characteristics of the amplified or encoded signal. Then, for the first time, through numerical simulations, has been demonstrated that using a passive single MRR allows to directly modulate a conventional SOA at 10 Gb/s, which is a fourfold increase of the rate at which it is possible to modulate a SOA due to its finite carrier lifetime. Concurrently, small-signal analysis is conducted, which for the first time correlated the power perturbations of the modulated signal at the SOA output with those at the MRR output, thus confirming the extension of the electrical bandwidth of the SOA-MRR combination. Afterwards, a thorough comparison of the MRR against the Optical Delay Interferometer (ODI) has been realized, which constitutes a popular alternative architecture for optical notch filter implementation. For this purpose, a rational procedure of equivalent comparison based on the slope of the spectral response of each filter in relation to the mechanism of pattern effect suppression in a SOA configured as linear amplifier has been formulated and applied. The quantitative comparison which is realized using this methodology, leaded to the conclusion that the MRR achieves better performance than the ODI for the majority of defined metrics, which combined with the MRR inherent advantages can render the latter preferable over the conventional options that are available for the same purpose. Finally, has been shown for the first time the feasibility of using a single MRR as notch filter for allowing the direct modulation of a Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) by more than three times higher data rate than being possible with the RSOA alone. Using small-signal analysis is extracted an analytical expression for the modulation response of a RSOA when driven by a digital encoding modulation current of rectangular waveform, which had never done before for such a practical case. The combination of this response with that of an MRR of appropriate radius and detuning, has shown that owing to the MRR the RSOA finite modulation bandwidth can be extended to a degree that the RSOA performance is not limited by the pattern effect. Lastly, has been derived in analytical form the instantaneous frequency deviation (chirp) at the MRR output, thus allowing the precise calculation of this measurand whose compensation is critical for restoring the encoded pulses quality. This till recently was not possible due to the abrupt variation of the MRR phase response, whose rate of change defines the chirp, around MRR resonance which coincides with the notch of the MRR spectral response.

Τα τελευταία χρόνια έχει εκδηλωθεί έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον σχετικά με τη χρήση οπτικών ενισχυτών ημιαγωγού (Semiconductor Optical Amplifiers-SOAs) για σκοπούς ενίσχυσης και διαμόρφωσης σήματος πληροφορίας σε συστήματα και δίκτυα οπτικών επικοινωνιών. Στην οπτική διαμόρφωση, οι SOAs χρησιμοποιούνται ως κύριοι ενισχυτές (booster amplifiers), ως ενισχυτές γραμμής (in-line amplifiers) και ως προενισχυτές (pre-amplifiers). Ωστόσο, οι εφαρμογές αυτές περιορίζονται από τον πεπερασμένο χρόνο ανάκαμψης των φορέων των SOA και κατά συνέπεια τον ακανόνιστο κορεσμό του κέρδους τους που προκαλεί το φαινόμενο σχηματομορφής (pattern effect), εξαιτίας του οποίου τα εισερχόμενα δεδομένα υφίστανται παραμόρφωση σε μη επιτρεπτό βαθμό. Στην ηλεκτρική διαμόρφωση, οι SOAs χρησιμοποιούνται ως διαμορφωτές έντασης μέσω της απευθείας διαμόρφωσης του ρεύματός τους. Ωστόσο, το ηλεκτρικό εύρος ζώνης διαμόρφωσης ενός συμβατικού SOA δεν ξεπερνά τα 2.5 GHz εξαιτίας του πεπερασμένου χρόνου ζωής των φορέων του και ως εκ τούτου δεν μπορεί να υποστηρίξει ανώτερους ρυθμούς δεδομένων σε αυτές τις εφαρμογές. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού και στους δύο τρόπους λειτουργίας ενός SOA, η εκπονηθείσα διατριβή πρότεινε, διερεύνησε και κατέδειξε ως ενδεδειγμένη λύση την υιοθέτηση συντονιστή μικροδακτυλίου (Micro Ring Resonator-MRR) μονής αρτηρίας κυματοδήγησης (single bus waveguide) ως οπτικού φίλτρου εγκοπής (notch filter). Αφού προσδιoρίστηκαν οι απαραίτητες συνθήκες που πρέπει να ικανοποιούνται ώστε το MRR να δρα ως φίλτρο εγκοπής, τέθηκαν τεχνολογικά εφικτά κριτήρια σχεδιασμού του MRR αναφορικά με την ακτίνα του και εφαρμόστηκαν για τη σημαντική βελτίωση της εξαρτώμενης από την σχηματομορφή απόδοσης του SOA καθώς και των χαρακτηριστικών ποιότητας του ενισχυμένου ή του διαμορφωμένου σήματος. Στη συνέχεια, μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων, αποδείχθηκε για πρώτη φορά ότι η χρήση ενός παθητικού μονού συντονιστή μικροδακτυλίου επιτρέπει την απευθείας διαμόρφωση ενός συμβατικού οπτικού ενισχυτή ημιαγωγού σε ρυθμό δεδομένων 10 Gb/s, ο οποίος αντιστοιχεί σε τετραπλασιασμό της ταχύτητας στην οποία είναι δυνατή η απευθείας διαμόρφωση ενός SOA λόγω του πεπερασμένου χρόνο ζωής των φορέων του. Παράλληλα, διεξήχθη ανάλυση ασθενούς σήματος, η οποία για πρώτη φορά συσχέτισε τις διαταραχές ισχύος του διαμορφωμένου σήματος στην έξοδο του SOA με αυτές στην έξοδο του MRR, επιβεβαιώνοντας την διεύρυνση του ηλεκτρικού εύρους ζώνης του συνδυασμού SOA-MRR. Ακολούθως, έγινε ενδελεχής σύγκριση του MRR με το οπτικό συμβολόμετρο καθυστέρησης (Optical Delay Interferometer-ODI), το οποίο αποτελεί μία διαδεδομένη εναλλακτική αρχιτεκτονική υλοποίησης φίλτρου εγκοπής. Για τον σκοπό αυτό, διατυπώθηκε και εφαρμόστηκε μία λογική διαδικασία ισοδύναμης σύγκρισης βασισμένης στη κλίση της φασματικής απόκρισης κάθε φίλτρου σε συνάρτηση με τον μηχανισμό καταστολής του φαινομένου σχηματομορφής του SOA σε λειτουργία γραμμικής ενίσχυσης. Η ποσοτική σύγκριση που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας αυτή τη μεθοδολογία οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το MRR επιτυγχάνει καλύτερη απόδοση από το ODI για την πλειονότητα των καθορισμένων μετρικών, γεγονός που σε συνδυασμό με τα εγγενή πλεονεκτήματα του MRR μπορεί να καταστήσει το τελευταίο προτιμητέο έναντι των συμβατικών επιλογών που είναι διαθέσιμες για τον ίδιο σκοπό. Τέλος, κατεδείχθη για πρώτη φορά η δυνατότητα χρήσης ενός μονού συντονιστή μικροδακτυλίου ως οπτικού φίλτρου εγκοπής ώστε να επιτρέπεται η απευθείας διαμόρφωση ενός οπτικού ενισχυτή ημιαγωγού ανακλαστικής όψης (Reflective Semiconductor Optical Amplifier-RSOA) κατά πλέον τριπλάσιο ρυθμό δεδομένων από αυτόν που είναι εφικτός με έναν RSOA μόνο του. Μέσω της ανάλυσης ασθενούς σήματος εξήχθη η αναλυτική έκφραση για την απόκριση διαμόρφωσης ενός RSOA όταν αυτός οδηγείται από ρεύμα διαμόρφωσης ψηφιακής κωδικοποίησης και τετραγωνικής κυματομορφής, πράγμα που δεν είχε ξαναγίνει για τέτοια πρακτική περίπτωση. Ο συνδυασμός της με αυτή ενός MRR κατάλληλης ακτίνας και κατάλληλου αποσυντονισμού έδειξε ότι χάρη στο MRR το πεπερασμένο εύρος ζώνης διαμόρφωσης του RSOA μπορεί να επεκταθεί σε βαθμό που η απόδοση του RSOA δεν περιορίζεται από το φαινόμενο σχηματομορφής. Επιπλέον, υπολογίστηκε με τη χρήση αναλυτικής έκφρασης η στιγμιαία απόκλιση συχνότητας (chirp) στην έξοδο του MRR, επιτρέποντας έτσι τον ακριβή υπολογισμό του μεγέθους αυτού, του οποίου η αντιστάθμιση είναι κρίσιμη για την αποκατάσταση της ποιότητας των κωδικοποιημένων παλμών. Αυτό μέχρι πρότινος δεν ήταν δυνατό λόγω της απότομης μεταβολής της απόκρισης φάσης, ο ρυθμός μεταβολής της οποίας ορίζει το chirp, γύρω από το σημείο συντονισμού του MRR που ταυτίζεται με την εγκοπή της φασματικής του απόκρισης.