Σχεδιασμός και υλοποίηση αμιγώς οπτικών ολοκληρωμένων διατάξεων αναγέννησης πολλαπλών σχημάτων διαμόρφωσης

Abstract

Η αμιγώς οπτική αναγέννηση και η μετατροπή μήκους κύματος αποτελούν θεμελιώδεις προϋποθέσεις για την υλοποίηση οπτικών συστημάτων μετάδοσης νέας γενιάς, τα οποία πρόκειται να επιτρέψουν την επέκταση της διαφάνειας των οπτικών δικτύων και την πλήρη αξιοποίηση του τεράστιου εύρους ζώνης που παρέχει η οπτική ίνα ως φυσικό μέσο μετάδοσης, καθιστώντας εφικτούς πολύ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων.

Λαμβάνοντας αυτό υπ’όψιν, στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν θεωρητικά και προσομοιώθηκαν με τη βοήθεια κατάλληλου λογισμικού διατάξεις για αμιγώς οπτική 2R αναγέννηση σημάτων πολλαπλών σχημάτων διαμόρφωσης (OOK, DPSK, DQPSK) και ρυθμών μετάδοσης (22Gbaud, 44Gbaud) οι οποίες βασίζονται στη χρήση συμβολομετρικής διάταξης Mach-Zehnder (ΜΖΙ) με ενεργά στοιχεία Οπτικούς Ενισχυτές Ημιαγωγού (SOA). Το πρότυπο των διατάξεων προσομοίωσης ήταν το οπτικό chip αναγεννητή που κατασκεύασε η εταιρία CIP για λογαριασμό του Εργαστηρίου Φωτονικών Επικοινωνιών. Στόχος της εργασίας ήταν να προσδιοριστούν οι βέλτιστες τιμές παραμέτρων λειτουργίας των διατάξεων, δηλαδή οι τιμές που εξασφαλίζουν τη μεγαλύτερη βελτίωση ως προς τον παράγοντα ποιότητας (Quality factor) και τον λόγο σβέσης (Extinction Ratio) του σήματος εξόδου της διάταξης στην περίπτωση που το σήμα εισόδου είναι OOK, και στην περίπτωση που το σήμα εισόδου είναι DPSK ή DQPSK οι τιμές για τις οποίες το σήμα εξόδου παρουσιάζει μικρότερο amplitude jitter και phase variation και άρα, μετά την αποκωδικοποίησή του, καλύτερο Quality factor και Extinction Ratio. Επίσης προσδιορίστηκαν χαρακτηριστικά λειτουργίας των διατάξεων όπως το εύρος τιμών του Q factor σήματος εισόδου για τις οποίες παρατηρείται αναγέννηση και η τιμή του Q factor σήματος εισόδου για την οποία η αναγέννηση είναι εντονότερη. Επιπλέον, εξετάσθηκε θεωρητικά και προσομοιωτικά το ενδεχόμενο βελτίωσης της διάταξης αναγεννητή DQPSK μέσω της χρήσης σύμφωνου σχήματος (ενός 90º optical hybrid) για την παραγωγή των σημάτων ελέγχου των SOA-MZIs. Τέλος, παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα από την πειραματική αξιολόγηση του chip της CIP που πραγματοποιήθηκε από το Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών.

All-optical signal regeneration and wavelength conversion are fundamental prerequisites for the implementation of new generation optical transmission systems, which are due to allow the enhancement of optical networks transparency and the full utilization of the huge bandwidth offered by optical fibres, thereby making feasible the transmission of data at very high bitrates.

Bearing this in mind, within the framework of this thesis we studied theoretically and simulated at two different bitrates (22Gbaud, 44Gbaud) systems for all-optical, multiformat (OOK, DPSK, DQPSK) 2R regeneration which are based on a Mach-Zehnder Interferometer (MZI) switch, using Semiconductor Optical Amplifiers (SOA) as an active component. As a model for the simulation layouts we used the optical regenerator chip manufactured by CIP on behalf of the Photonics Communications Research Laboratory (PCRL). The main objective of the thesis was to determine the optimal values of the functional parameters of these systems, i.e. in case the input signal is OOK modulated, the values that provide the greatest improvement as regards the Quality factor and the Extinction Ratio of the output signal, whereas in case of DPSK and DQPSK input signals, the values for which the output signal suffers from less amplitude jitter and phase variation, therefore displaying better Quality factor and Extinction Ratio after its decoding. Functional characteristics of those systems were also assessed, like the value range of the input signal’s Q factor for which regeneration is observed as well as the value of the input signal’s Q factor for which regeneration appears to be maximum. Moreover, we examined both theoretically and through simulations the possibility of improving the DQPSK regenerator configuration by using a coherent scheme (90º optical hybrid), as the first stage of the device, for the generation of the control signals used by the SOA-MZI. Lastly, the results of the experimental evaluation of CIP’s chip, which was carried out by the Photonics Communications Research Laboratory, were presented.