Nonlinear Applications of Semiconductor Optical Amplifiers for All-Optical Networks

287 Pages·2007·10.18 MB·English

Nonlinear Applications of
Semiconductor Optical Amplifiers
for All-Optical Networks
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Alessandro Marques de Melo
aus Fortaleza (Brasilien)
von der Fakult¨at IV - Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universit¨at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing.-
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuß:
Vorsitzender: Prof. Dr. Gu¨nther Tr¨ankler
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Petermann
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Hans-Georg Weber
Gutachter: Prof. Dr. sc. nat. Ju¨rgen Leuthold
Tag der Wissenschaftlichen Aussprache: 25. April 2007
Berlin 2007
D 83

Abstract
In the present work several optical network functionalities based on Semiconduc-
tor Optical Amplifiers (SOA) are investigated by means of numerical simulations.
An optical network has the function of connecting two or more optical links through
a network node. Although in the transmission paths the data flux is all-optical, in
the network nodes much of the signal switching/processing has been implemented
through electronic circuits whose speed is much lower than the speed of optics. One
of the challenges of the present work was to propose novel all-optical network func-
tions to substitute electronic signal processing in order to avoid a bottleneck in the
network nodes.
In this context, several network functionalities have been proposed and theoreti-
cally investigated in the present work. In the beginning of the work, Optical Time-
Division Multiplexing (OTDM) technology was considered to be a potential solution
to future-generation optical networks. Therefore, the simulation environment devel-
oped was first envisaged to deal with OTDM signals. In this context an existing
SOA time-domain model was upgraded and a SOA frequency-domain model was de-
veloped both able to process short optical pulses. The main features of both models
are described in detail throughout the work. Having these SOA models as basic
building blocks, the following network functionalities were proposed/investigated.
First, a solution for high-speed simultaneous OTDM Add/Drop multiplexing is pre-
sented. The proposed setup enables independent optimization of drop and clear
ports simultaneously, can work with high aggregate and high base data rates, can
be monolithic integrable, possess low polarization dependency and has the potential
of low cost and low power consumption. Theoretical results showed that OTDM
ADM from 320 Gbit/s to 10 Gbit/s, 40 Gbit/s and 80 Gbit/s is possible by using
this setup.
A detailed investigation of a simplified setup for wavelength conversion of optical
signals at bit rates varying from 40 Gbit/s to 320 Gbit/s is also carried out. The
setup consists of a continuous wave (CW) pulse source, a semiconductor optical am-
plifier and an optical bandpass filter. The investigations for up and down-conversion
took into consideration data signals with duty cycles varying from 8 % to 67 %. The
optical bandpass filter has a Gauss or a second-order Gauss profile or is a delay in-
terferometer (Mach-Zehnder interferometer with a delay in one of its arms). The
Gauss and second-order Gauss filters are placed asymmetrically to the CW center
wavelength in order to suppress the red-shifted (low-frequency) components of the
CW spectrum. The delay interferometer is centered to the CW carrier in order to
suppress it. A good wavelength conversion performance up to 160 Gbit/s is ob-
tained when using short optical pulses. Moreover, error-free 40 Gbit/s wavelength
conversion operation is demonstrated experimentally by implementing the delay in-
terferometer by means of a birefringent fiber and a polarizer.
A scheme for all-optical Exclusive-OR (XOR) is proposed and investigated for a bit
rate of 160 Gbit/s. The setup consists of a semiconductor optical amplifier placed
in both arms of a Mach-Zehnder interferometer (SOA-MZI) and coupled to a delay
interferometer (SOA-MZI-DI). With help of the delay interferometer a completed
degraded signal could be restored. Error-free operation is predicted by using a
quasi-Monte-Carlo method. An interesting feature of this setup is that amplitude
crossings lead to phase jumps of π that assist the restoration process.
A setup for the regeneration of Differential Phase-Shift Keying (DPSK)-signals is
proposed and analytically analyzed. The transfer function of the setup shows that
depending on the working point either amplitude or phase can be regenerated. This
behavior indicates that in order to enable the regeneration of both amplitude and
phase of a degraded DPSK signal, a cascade of two consecutive such setups will be
necessary. Another alternative would be to first regenerate the amplitude of the
degraded DPSK signal before launching it to the proposed setup.
Theoretical investigations on parametric amplification in semiconductor optical am-
plifiers are performed. Specially, ultra-long devices (> 2 mm) are investigated be-
causeoftheirimprovedefficiency. Firstresultsconfirmedtheexistenceofparametric
amplification in SOAs which is related to the SOA gain spectrum asymmetry.
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit besch¨aftigt sich mit der Untersuchung verschiedener auf
Halbleiterlaserverst¨arkern (SOA) basierenden Netzwerkfunktionalit¨aten mittels nu-
merischer Simulationen.
Die Aufgabe eines optischen Netzwerks besteht darin, zwei oder mehrere optis-
¨
che Ubertragungsstrecken durch einen Netzwerkknoten zu verbinden. Obwohl die
¨
Ubertragungsstrecken rein optisch sind, mu¨ssen die Daten in dem Netzwerkknoten
elektronisch bearbeitet werden. Da die Schaltzeiten der Elektronik geringer sind als
die der Optik, besteht das Problem des so genannten Kapazit¨atsengpass (”Bottle-
neck”).
Die Aufgabe bei dieser Dissertation bestand aus der Darstellung neuer Netzw-
erkfunktionalit¨aten, die auf einer rein optischen L¨osung basieren, um einen Ka-
pazit¨atsengpass in einem Netzwerk zu vermeiden. Die vorliegende Arbeit schl¨agt in
diesem Zusammenhang verschiedene Netzwerkfunktionalit¨aten vor und unterzieht
sie einer theoretischen Untersuchung.
Zu Beginn dieser Arbeit wurde ”Optical Time-division Multiplexing” (OTDM) als
einepotentielleL¨osungfu¨rzuku¨nftigeoptischeNetzwerkeberu¨cksichtigt. Ausdiesem
Grund wurde die Simulationsumgebung fu¨r OTDM Signale entwickelt.
Ein vorhandenes SOA-Zeitbereichsmodell wurde erweitert und ein neues SOA- Fre-
quenzbereichsmodellerstellt,beidemitderF¨ahigkeit,Kurzpulsebehandelnzuk¨onnen.
Die Eigenschaften dieser Modelle sind in der Arbeit ausfu¨hrlich beschrieben. Mit
HilfederbeidenModellewurdendiefolgendenNetzwerkfunktionalit¨atenvorgeschla-
gen und untersucht.
ZuerstwurdeeineL¨osungfu¨rhochbitratigesOTDMAdd/DropMultiplexing(ADM)
dargestellt. Die vorgeschlagene Anordnung erm¨oglicht eine unabh¨angige, simultane
Optimierung fu¨r ”Drop” und ”Clear” Ausg¨ange und kann mit einer Hochbitrate
arbeiten. Außerdem ist sie monolithisch integrierbar und weist eine geringe Polar-
isationsabh¨angigkeit auf. Sie hat das Potential geringer Kosten und eines geringen
Energieverbrauchs. Theoretische Ergebnisse zeigen, dass bei der Verwendung dieser
Anordnung OTDM ADM von 320 Gbit/s auf 10 Gbit/s, 40 Gbit/s und 80 Gbit/s
m¨oglich ist.
Eine ausfu¨hrliche Untersuchung einer vereinfachten Anordnung fu¨r Wellenl¨angeum-
setzung optischer Signale mit Bitraten von 40 Gbit/s bis zu 320 Gbit/s wurde
durchgefu¨hrt. Der Anordnung besteht aus einer CW-Quelle, einem Halbleiter-
laserverst¨arker und einem optischen Bandpassfilter. Fu¨r die Untersuchungen wur-
den Datensignale mit einem Tastverh¨altnis von 8 % bis zu 67 % beru¨cksichtigt. Bei
den Simulationen wurden drei optische Bandpassfilter benutzt, n¨amlich ein Gauß-
filter erster Ordnung, ein Gaußfilter zweiter Ordnung und ein Delay Interferometer.
Die Gaußfilter erster und zweiter Ordnung sind hinsichtlich der Tr¨agerwellenl¨ange
asymmetrisch platziert, um die niederfrequenten Anteile des CW-Spektrum zu un-
terdru¨cken. Das Delay-Interferometer ist so eingestellt, dass es den CW-Tr¨ager un-
terdru¨ckt. Gutes Leistungsverhalten bei der Wellenl¨angeumsetzung ist mit kurzen
Pulsenbiszu160Gbit/serreichbar. Daru¨berhinauswurdeeinefehlerfreie40Gbit/s
Wellenl¨angeumsetzung experimentell gezeigt. In diesem Fall wurde das Delay In-
terferometer mittels einer doppelbrechenden Faser und eines Polarisators implemen-
tiert.
Der Entwurf eines rein optischen ”Exclusive-OR” (XOR) Gatters wurde vorgeschla-
gen und fu¨r eine Bitrate von 160 Gbit/s untersucht. Die Anordnung basiert auf
einem Mach-Zehnder Interferometer, in dessen Armen sich je ein SOA befindet
(SOA-MZI). Hinter das gesamte SOA-MZI ist ein ”delay-Interferometer” (SOA-
MZI-DI) geschaltet. Mit Hilfe des Delay-Interferometer konnte ein vollst¨andig de-
gradiertesSignalwiederhergestelltwerden. NumerischeUntersuchungendieserAnord-
nung haben einen fehlerfreien Betrieb bei 160 Gbit/s gezeigt. Eine besondere Eigen-
schaft dieser Anordnung (SOA-MZI-DI) ist dass immer, wenn sich die Amplituden
beider Pulsfolgen kreuzen, ein Phasensprung von π resultiert. Dieser Phasensprung
hilft bei der Wiederherstellung des Signals.
Eine Anordnung fu¨r die Regeneration der ”Differential Phase-Shift Keying (DPSK)-
” Signale wurde vorgeschlagen und analytisch untersucht. Die Kennlinie der Anord-
nung zeigt, dass entweder die Amplitude oder die Phase regeneriert werden k¨onnen
abh¨angig davon, welche Arbeitspunkte benutzt werden. Deswegen wird fu¨r die gle-
ichzeitige Regeneration von Amplitude und Phase eine Kaskadierung zweier solcher
Anordnungen ben¨otigt. Eine andere L¨osung w¨are die Regeneration der Amplitude
des DPSK-Signal bevor es in die vorgeschlagene Anordnung eingekoppelt wird.
TheoretischeUntersuchungenparametrischerVerst¨arkunginHalbleiter-Laserverst¨ark-
ern wurden durchgefu¨hrt. Aufgrund ihrer verbesserten Effizienz wurden hierbei ins-
besondere ultralange SOAs (> 2 mm) untersucht. Die Ergebnisse beweisen die Exis-
tenz von parametrischer Verst¨arkung in SOAs, welche durch die SOA Gewinnspek-
trumasymmetrie entstehen.
Contents
1 Introduction 10
1.1 Motivation for this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Operation Principle of Optical Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Theoretical Background 15
2.1 Principles of Light Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Recombination Processes in Semiconductors . . . . . . . . . . 16
2.2 SOA Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Types of Semiconductor Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Dynamic Recovery in Semiconductor Optical Amplifiers . . . . . . . . 21
2.5 Nonlinear Mechanisms in SOAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.1 Nonlinear Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Semiconductor Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Semiconductor Optical Amplifiers: Modeling and Validation 27
3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Review on SOA Modeling approaches . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 Considerations on the ASE noise modeling . . . . . . . . . . . 30
3.2 Time-domain Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Rate Equations and SOA Parameters . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 Propagation Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 Stochastic Noise Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.4 Time-domain Model Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Frequency-Domain Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.1 Gain Modeling Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Model Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Gain-Transparent Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.1 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 OTDM Demultiplexing and Add/Drop Multiplexing 55
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7
Contents
4.2 Review on OTDM Demultiplexing Technologies . . . . . . . . . . . . 55
4.3 High-speed SOA-MZI-based OTDM Add-Drop Multiplexing . . . . . 60
4.4 Impairments to high bit rate ADM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5 SOA Modes of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.1 Conventional Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5.2 Gain-Shifted Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5.3 Gain-Transparent Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6 Enhanced SOA-MZI Setup for High-Speed ADM Operation . . . . . . 64
4.7 Switching Windows Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.8 ADM Performance Evaluation for a Conventional SOA-MZI ADM Gate 69
4.9 Comparison between Gain Transparent and Conventional SOA-MZI
ADM Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.10 Assessment of the Optical Signal to Noise Ratio . . . . . . . . . . . . 77
4.10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.10.2 OSNR Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.11 Overall Performance of the ADM gate . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.12 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 Wavelength Conversion 83
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Wavelength Conversion at 40 Gbit/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.1 Criteria Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.2 Influence of CW signal power . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2.3 Delay Interferometer: Principle of Operation . . . . . . . . . . 94
5.2.4 Case I: Wavelength conversion using a delay interferometer as
optical filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2.5 Analysis of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2.6 Case II: Wavelength conversion using an asymmetric filter
(Polarity-preserving case) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2.7 Case III: Wavelength conversion using an asymmetric filter
(inverted polarity) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2.8 Case IV: Re-inversion through a delay interferometer . . . . . 129
5.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3.1 Bit Rates Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4 ExperimentalimplementationofaDelay-LineInterferometerforError-
Free Wavelength Conversion at 40 Gbit/s . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.4.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6 All-Optical Exclusive-OR Bit Logic 136
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8
Contents
6.2 Review of the state of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.4 Receiver model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.5 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7 Miscellaneous 147
7.1 3R Regeneration of DPSK Modulated Signals . . . . . . . . . . . . . 147
7.1.1 Setup and Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.1.2 Device Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.2 Parametric Amplification in Ultra-Long SOAs . . . . . . . . . . . . . 154
8 Conclusions 159
8.1 High-Speed Add/Drop Multiplexing Gate for OTDM Networks . . . . 160
8.2 Analysis of Compact High-Speed Wavelength Conversion . . . . . . . 161
8.3 Novel Setup for All-Optical XOR Bit Logic . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.4 Experimental Demonstration of 40 Gbit/s Wavelength Conversion . . 162
8.5 Novel Setup for Regeneration of DPSK Signals . . . . . . . . . . . . . 163
8.6 Analysis of Parametric Amplification in Ultra-Long SOAs . . . . . . . 163
8.7 Final Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
A Results of Wavelength Conversion for 80 Gbit/s Data 165
B Results of Wavelength Conversion for 160 Gbit/s Data 196
C Results of Wavelength Conversion for 320 Gbit/s Data 227
D List of Symbols 249
E Acronyms 253
F Publications by the Author 256
G Achievements 261
H Acknowledgements 263
I Biography 265
Bibliography 266
9
1 Introduction
Thedisseminationofinternet, initiallyrestrictedtotheacademicmilieuintheeight-
ies and beginning of the nineties, to the common population has given rise to the
development of a wide range of applications with focus on commercial interests.
Some applications include E-mail, WWW, video on demand, online-radio, down-
load of music and video, online business, E-learning, online-shopping, voice over IP
(VoIP), TV over IP, online gaming, internet communities, virtual chat and virtual
dating, among many others.
This vast spectrum of applications has to be backed by an appropriate technology
able to adapt to its increased need for bandwidth.
The internet traffic profile yields a picture of the bandwidth utilization. Histori-
cally, it has been developed according to a Moore’s law by doubling its demand
every year [1]. In order to accommodate such an enormous demand, fiber optic
technology has been chosen because of its huge transmission capacity.
Indeed, since1987withthedevelopmentoftheerbium-dopedfiberamplifier(EDFA)
[2], a key component in transmission systems, the field of optical communications
became mature for commercial development.
Thetransmissioncapacityofopticalfiberscanbeonlyeffectivelyexploitedbyaggre-
Figure 1.1: Schematic of wavelength-division multiplexing
10