All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Abstract

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.

This thesis investigates and develops all-optical processing devices for wavelength division multiplexing networks (DWM) of the future. The ultimate goal of optical networks is to transport and deliver a densely multiplexed spectrum, populated by ultra-high bit rate signals over hundreds or thousands of kilometers of optical fiber. Such signals should be transported and routed transparently in the optical domain, without recurring to optic-electro-optic (OEO) conversions, avoiding its limitations and costs. Semiconductor optical amplifier (SOA) based technology is a promising building block due to its inherent ultra-fast and efficient non-linear effects, potential for integration, low power consumption and cost. Wavelength converters are the basic optical functionality to increase the network throughput and avoid wavelength blocking. Methods to increase the operation bandwidth of cross-gain modulation (XGM) converters are studied and experimentally assessed to enable operation beyond the physical constraints of SOA. Single and multi-wavelength conversion exploiting crossphase modulation (XPM) in Mach-Zehnder interferometer with semiconductor optical amplifiers (MZI-SOA) is tested. High bit rate DWDM networks require optimized modulation formats with enhanced tolerance to fiber impairments and reduced spectral tolerance. As a consequence, it is crucial to develop all-optical modulation formats between legacy on-off-keying networks and networks employing advanced modulation formats. An all-optical format converter between optical double sideband (ODSB) and optical vestigial sideband (OVSB) based on SOA self-phase modulation is proposed and thoroughly characterized by simulations and experimental tests. A converter, which uses a mix of XGM and XPM to allow simultaneous pulse and modulation format conversion to the carrier suppressed format, is proposed. The interface between ultra-high bit rate transport networks and lower bit rate access networks requires optical pulse format conversions between return-tozero (RZ) and non-return-to-zero (NRZ). Two different structures are proposed and investigated. The first is based on detuned filtering of XPM converted signal; while the second uses the dynamics of the internal laser of a gainclamped SOA. All-optical regeneration is one of the most sought functionalities to reduce network costs. Regeneration is achieved in this work through two simple setups: a MZI-SOA based structure, and a method in which the internal laser from a GC-SOA is modulated with the input distorted signal. Most applications are experimentally validated at 40 Gb/s, with potential for even higher bit rates, demonstrating that SOA can be one of the key elements for the next generation of optical networks.