Πειραματικός χαρακτηρισμός Dilute-Nitride Ημιαγώγιμων Οπτικών Ενισχυτών (SOAs) και εφαρμογές σε οπτικά δίκτυα πρόσβασης

Abstract

Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο πειραματικός χαρακτηρισμός των dilute-nitride SOAs τεχνολογίας GaInNAs(Sb)/GaAs και οι διερεύνηση της δυνατότητας τους να αποτελέσουν ενεργά στοιχεία σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα, μέσω της αξιολόγησης τους σε περιβάλλον πραγματικής μετάδοσης πληροφορίας. H εργασία περιέχει μία εκτενή περιγραφή των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στους ημιαγωγούς όταν αυτοί αλληλοεπιδρούν με το φως, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο η εξαναγκασμένη εκπομπή (Stimulated Emission) γίνεται το κυρίαρχο φαινόμενο στην ενεργό περιοχή νοθευμένων ημιαγωγών. Ακολουθεί εκτενείς παρουσίαση των ιδιοτήτων των SOAs ως στοιχεία ενίσχυσης, αλλά και ως μέρη ενός οπτικού κυκλώματος, με ιδιαίτερο βάρος στα χαρακτηριστικά εκείνα που τους καθιστούν ικανούς για περισσότερες λειτουργίες, όπως η Ετεροδιαμόρφωση κέρδους και φάσης (Cross-Gain Modulation-XGM, Cross-Phase Modulation-XPM). Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στην φωτονική ολοκλήρωση με πλατφόρμες III-V ημιαγωγών, που μπορούν να αποτελέσουν την πλέον αξιόλογη λύση για την ολοκλήρωση ενεργών δομών σε φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (Photonic Integrated Circuits-PICs). Ιδίως οι dilute-nitride ημιαγωγοί, λόγω της σχετικής ανεξαρτησίας των χαρακτηριστικών εκπομπής τους από τη θερμοκρασία, πράγμα που απαλλάσσει από την ανάγκη για ενεργοβόρους μηχανισμούς ψύξης, καθώς και του μικρού ανηγμένου κόστους ολοκλήρωσης για της πλατφόρμες GaAs-, αποτελούν ένα πολλά υποσχόμενο υλικό, πάνω στο οποίο επικεντρώνεται η εργασία. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαδικασία και τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού των dilute-nitride SOAs που έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (ΕΦΕ). Αξιολογήθηκαν τα φάσματα αυθόρμητης εκπομπής, οι φασματικές ιδιότητες του κέρδους, η στατική και δυναμική του συμπεριφορά, καθώς και η δυνατότητα τους για τη διέγερση του φαινομένου τεσσάρων φωτονίων (Four-Wave Mixing-FWM). Συνολικά, τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ καλά χαρακτηριστικά και επιβεβαίωσαν την αναισθησία της λειτουργίας όσον αφορά τις εναλλαγές θερμοκρασίας. Το επόμενο στάδιο ήταν η αξιολόγηση της λειτουργίας των SOAs σε περιβάλλον μετάδοσης πληροφορίας. Αξιολογήθηκε η δυνατότητα των SOAs να εκτελέσουν αμιγώς οπτική μετατροπή μήκους κύματος, εκμεταλλευόμενοι την ιδιότητα του Cross-Gain Modulation. Οι μετρήσεις έδειξαν λειτουργία χωρίς λάθη στα 5 Gb/s και 10 Gb/s, και ανέδειξαν τη δυνατότητα των dilute-nitride SOAs να λειτουργήσουν ακόμη και σε υπέρ-υψηλές ταχύτητες. Τέλος, παρουσιάστηκαν προτάσεις για εφαρμογή σε τοπολογίες οπτικών δικτύων πρόσβασης. Τα παθητικά οπτικά δίκτυα (Passive Optical Networks-PONs) μπορούν να αποτελέσουν μια σημαντική λύση στην επικοινωνία, καθώς μπορούν να εξυπηρετήσουν με αξιοπιστία μεγάλο αριθμό χρηστών με πολύ μικρό κόστος εξοπλισμού. Οι προτεινόμενες εφαρμογές για τη χρήση ανακλαστικών SOAs (Reflective SOAs) για της λειτουργίες στο τερματικό ONU αποτελούν ενδιαφέρουσες λύσεις για απλή και φθηνή σχεδίαση του.

The aim of this diploma thesis is the experimental characterization of the dilute-nitride GaInNAs(Sb)/GaAs SOAs and the investigation of their capability to be used as active elements in photonic circuits, through their evaluation in a datacom environment. The diploma thesis contains a comprehensive description of the phenomena taking place in semiconductor materials when they interact with light, as well the way in which Stimulated emission becomes the dominant phenomenon at the active region of doped semiconductors. An extensive presentation follows including the key-characteristics of the SOAs as amplification units, as well as non-linear elements of an optical circuit, focusing on the characteristics making them capable of advanced functions, such as Cross-Gain Modulation (XGM) and Cross-Phase Modulation (XPM). The third chapter discusses about the photonic integration of III-V semiconductor platforms, which can be considered as a robust solution for the integration of active structures in Photonic Integrated Circuits (PICs). In particular, the dilute-nitride semiconductors, due to their insensitivity to temperature changes releasing them from the need of energy-consuming cooling mechanism, as well as the low fabrication cost for GaAs- platforms, are making a promising material, on which this diploma thesis focuses. The characterization results of dilute-nitride SOAs, that carried out at the Photonic Communications Research Laboratory (PCRL) premises, are reported in the forth chapter. The Amplified Spontaneous Emission (ASE) spectrum, the gain spectral properties, the static and dynamic gain characteristics and the capability of Four-wave mixing (FWM) were experimentally evaluated. As a result, the measurements of tested SOA-chips showed very good performance and experimentally validate the inherent temperature insensitive characteristics. . The next stage was the evaluation of the operation of the SOAs in under true-data conditions. We evaluated the capability of the SOAs to perform all-optical wavelength conversion using the Cross-Gain Modulation mechanism. The measurements showed error-free operation at 5 Gb/s and 10 Gb/s confirming thereby the potentiality of dilute-nitride SOAs to penetrate into the high-speed signal processing environment. At the end, various integration concepts for applications in the area of Access Optical Networks are proposed. Passive Optical Networks (PONs) can be considered as a considerable solution for the installed systems while they can reliably accommodate a vast amount of users with a relatively low infrastructure cost. The proposed applications for the adoption of Reflective SOAs (RSOAs) within the ONU schemes are remarkable solutions for its inexpensive and low-complexity.