Επισκόπηση θεωρίας των Mode-Locked Lasers και πειραματική επίδειξή τους σε OTDM σύστημα στα 160Gb/s

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία περιέχει την παρουσίαση των φυσικών αρχών που διέπουν τη λειτουργία των Mode Locked Lasers (MLL). Στο πρώτο κεφάλαιο εισάγονται οι βασικές αρχές που επιτρέπουν τη λειτουργία μιας κοιλότητας (cavity) η οποία περιέχει ένα ενεργό μέσο (gain medium) δίνοντας στην έξοδο της ένα ενισχυμένο οπτικό σήμα μέσα από το μηχανισμό της εξαναγκασμένης εκπομπής (stimulated emission). Η βασική ιδέα που παρουσιάζεται είναι το πώς καταφέρνουμε από τους υποστηριζόμενους ρυθμούς της κοιλότητας (αρμονικές ταλαντώσεις) να καταφέρουμε μέσω ενός κλειδώματος της φάσης τους να διαπιστώσουμε από την υπέρθεση τους ένα αποτέλεσμα πολύ στενών οπτικών παλμών στο πεδίο του χρόνου. Η εγκλείδωση ρυθμών που είναι και η αρχή λειτουργίας του MLL μπορεί να επιτευχθεί με αρκετές τεχνικές, τις οποίες συνοπτικά παρουσιάζουμε μέσα από τη χρήση βιβλιογραφικών αναφορών. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται η τεχνική του passive mode-locking που βασίζεται στη χρήση ενός κορέσιμου απορροφητή (saturable absorber) στη διάταξη της κοιλότητας και του active mode-locking που βασίζεται στη διαμόρφωση - κλείδωμα της φάσης των αρμονικών που ενισχύονται μέσα στην κοιλότητα κάνοντας χρήση ενός ηλεκτρικού σήματος (RF) στη συχνότητα που επιθυμούμε να ορίσουμε το ρυθμό επαναληψιμότητας (repetition rate) του MLL. Τα φωτονικά δίκτυα έρχονται να δώσουν λύση στην αύξηση της χωρητικότητας των τηλεπικοινωνιακών δικτύων δίνοντας μας τη δυνατότητα να εκμεταλλευτούμε ένα μέσο (οπτική ίνα) η οποία έχει ασύγκριτα μεγαλύτερο bandwidth συγκριτικά με τα εργαλεία του ηλεκτρονικού κόσμου. Στη βάση αυτή παρουσιάζουμε μια από τις πιο βασικές εφαρμογές των MLL στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Συγκεκριμένα, το πώς η έξοδος του MLL μπορεί να αποτελέσει το «όχημα» - φέρον πάνω στο οποίο μπορεί μεταφέρεται η ψηφιακή πληροφορία. Σε όλα τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα (ασύρματα, μικρο-κυματικά, φωτονικά) η τεχνική της πολυπλεξίας είναι αυτή που επιτρέπει να αυξήσουμε τη χωρητικότητα του διαύλου μας. Εκμεταλλευόμενοι τις ιδιότητες εκπομπής των MLL που έχουν δυνατότητα να παράγουν παλμο-σειρές που περιέχουν στενούς οπτικούς παλμούς η τεχνική της οπτικής πολυπλεξίας στο χρόνο (OTDM) είναι αυτή που παρουσιάζεται στο επόμενο κεφάλαιο παράλληλα με τις βασικές διατάξεις που χρησιμοποιούμε για τον πομπό και το δέκτη σε μια τέτοια ζέυξη. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται ένα πείραμα το οποίο στήθηκε στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (ΕΦΕ) και σκοπό είχε να αξιολογήσει την κατασκευή στον πομπό (Transmitter) ενός σήματος στα 160Gbps με τη μέθοδο της χρονικής πολυπλεξίας αλλά και τη μελέτη της επιβάρυνσης του μέσα από τη διάδοση του από έναν κυματοδηγό. Σκοπός του πειράματος αυτού ήταν να παρουσιαστούν όλα τα βασικά συστατικά που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός υπερ-υψηλού ρυθμού μετάδοσης σήματος στον πομπό το οποίο δίνοντας έμφαση στη χρήση ενός MLL με repetition rate στα 10GHz παράλληλα με τη χρήση ενός οπτικού πολυπλέκτη (OMUX) μέσω του οποίου μπορώ να καταφέρω να αποκτήσω στην έξοδο του συστήματος του πομπού ένα οπτικό φέρον το οποίο έχει διαμορφωθεί – μεταφέρει πληροφορία (data) στα 160Gbps. Στην πλευρά του δέκτη (receiver) παρουσιάζονται οι τεχνικές από-πολυπλεξίας για να υποβιβάσω το σήμα των 160Gbps στοn αρχικό ρυθμό των 10Gbps. Αρχικά η από-πολυπλεξία από τα 160Gbps στα 40Gbps με χρήση ενός οπτικού συμβολόμετρου Sagnac και στη συνέχεια στο δεύτερο στάδιο από τα 40Gbps στα 10Gbps με χρήση ενός EAM (Electro Absorption Modulator). Τέλος επειδή βασικό στοιχείο στην απόδοση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος εκτός από τη χωρητικότητα του αποτελεί και η υποβάθμιση που εισάγει στη μεταδιδόμενη πληροφορία παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που σχετίζονται με τη σύγκριση της ποιότητας του οπτικού σήματος στα 160Gbps σε διαφορετικά σημεία του συστήματος με χρήση εργαλείων όπως φάσματα του σήματος στον OSA (optical spectrum analyzer), διαγράμματα οφθαλμού (eye diagrams) στον παλμογράφο αλλά και η ποσοτικοποίηση της υποβάθμισης μέσα από τις καμπύλες των μετρήσεων για το ρυθμό σφαλμάτων (BER measurements).

This diploma thesis aims at the study and the presentation of the physical principles that are adopted to the operation of Mode-Locked Lasers (MLL). In the first chapter there is an introduction which comprises information about basic principles that allow the operation of a cavity that contains a gain medium and gives an amplified optical signal in the output through the mechanism of the stimulated emission. The main scenario that has to be explored is the achievement of very narrow optical pulses in time domain, via phase locking the existing cavity modes. The mode-locking can be attained with multiple techniques that are briefly presented through the use of scientific references. More specifically, it is presented the technique of passive mode-locking that is based on the use of a saturable absorber in the cavity and also the technique of active mode-locking that relies on the modulation-locking of the phase of the harmonic frequencies that are amplified in the cavity using an electric signal (RF) in the frequency that we want to assess the repetition rate of the MLL. Future photonic networks are a solution to increase the capacity of telecommunication systems and allow us to take advantage of the benefits that optical fibers offer, such as the enormous bandwidth. In this perspective, one of the most basic applications of MLL in telecommunication systems is described in this thesis. This application is the ability of MLLs to be the carrier waves onto which digital information is transported. In telecommunication network systems (wireless, photonic), multiplexing technique is the one that allows the increase the capacity of our channels. Given the opportunity that MLL offer by producing very narrow pulses, the technique of optical time division multiplexing is presented in the next chapter additionally with the basic formations used for the transmitter and the receiver. In the last chapter it is described an experiment which took place in the Photonics Communications Research Laboratory (PCRL) and its goal is the evaluation of the construction, from the side of the transmitter, of a 160Gbps signal exploiting the technique of optical time division multiplexing. Besides, the possibility of losses that are charged in the signal due to its pass through a “black box” link, was investigated. The purpose of the experiment was to present all the basic components that are crucial for producing an ultra-high mode of transmitting the signal using an MLL with 10GHz repetition rate and an optical multiplexer (OMUX) through which is possible to have an optical carrier that transmits data in 160Gbps at the output of our transmitter. At the side of the receiver, it is described the techniques of demultiplexing the signal from the rate of 160Gbps to the rate of 40Gbps using an optical interferometer Sagnac and afterwards in a second level the demultiplexing from 40Gbps to 10Gbps using an Electro-Absorption Modulator (EAM). Finally, and due to the fact that the degradation induced in a transmitted signal by the telecommunication system is a fundamental issue for the evaluation of a system, experimental results are presented which allow us to compare the quality of the optical signal in 160Gbps in different stages of the experimental procedure. For this purpose, multiple merits are used such as signal spectrums taken from an optical spectrum analyzer, eye diagrams from the oscilloscope and Bit Error Rate measurements.