Μελέτη, σχεδιασμός και χαρακτηρισμός διατάξεων οπτικών μικροδακτυλίων για εφαρμογές σε οπτικά δίκτυα

Abstract

In this thesis, the optical characteristics of active microring resonators are investigated. The scope of this study is to examine the correlation between microring resonator structural characteristics with the microring laser’s operational characteristics as well as its dynamic behavior. The result of this thesis is the complete investigation of the SML properties and also the optimization of the key design parameters in order to be used in future microring-based lightwave system applications. In the first part, the correlation between structural and functional parameters is theoretically examined and a complete numerical simulation model is analytically described which is based on multimode rate equations. Using the abovementioned model, the spectral characteristics of the laser diode are described, and the different regions of operation are explored. In the second part of this thesis experimental measurements are presented. The experimental investigation begins with the characterization of all-active and active-passive integrated devices Different ring radii were examined and the investigation of the operating regimes was carried out through optical spectra, time traces and light-current characteristics. Mode hopping phenomena were studied through time traces and RF spectra as well as relative intensity noise (RIN) measurements. Subsequently, the phase and intensity noise measurements are presented whereas a complete matching of the experimental findings with the theoretical predictions is established. This discovery provides with a powerful tool in developing future devices in which, the total of operational characteristics can be pre-determined from the design phase, thus significantly reducing the fabrication cost. The tuning capabilities of SMLs are then presented for all the different configurations mentioned above where an extra broad tuning range of 40nm is recorded. Finally, applications of active microrings are shown. Direct modulation is implemented for the first time and a 7Gb/s maximum modulation rate is achieved. Additionally, transmission of a 5Gb/s modulated signal through 100km of single mode fiber is shown The SML can also be used in wavelength conversion in similar data rates by exploiting cross gain modulation (XGM). A last application is related to the use of active microrings as optical amplifiers when biased just below threshold. This was 10Gb/s modulated signals were successfully amplified by 10 dB

Σε αυτή τη διατριβή διενεργείται μία πλήρης περιγραφή των οπτικών χαρακτηριστικών των ενεργών συντονιστών μικροδακτυλίων. Η μελέτη έχει ως σκοπό να συσχετίσει την επίδραση βασικών σχεδιαστικών παραμέτρων του λέιζερ μικροδακτυλίου με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του καθώς και τη δυναμική του συμπεριφορά. Αποτέλεσμα της διερεύνησης αυτής είναι η σύνθεση μιας συνολικής εικόνας για τις ιδιότητες των διόδων λέιζερ συντονιστών μικροδακτυλίου όπως επίσης και για τον προσδιορισμό των βέλτιστων σχεδιαστικών χαρακτηριστικών που απαιτούνται για την πιθανή χρησιμοποίησή τους ως πομπούς σε οπτοηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Στο πρώτο μέρος της εργασίας μελετώνται θεωρητικά οι συσχετίσεις μεταξύ των σχεδιαστικών παραμέτρων και των λειτουργικών χαρακτηριστικών. Περιγράφεται αναλυτικά η ανάπτυξη ενός πλήρους αριθμητικού μοντέλου προσομοίωσης των λέιζερ συντονιστών μικροδακτυλίου συζευγμένων με έναν ευθύ κυματοδηγό βασισμένο σε πολύτροπες εξισώσεις ρυθμού. Με το μοντέλο που αναπτύχθηκε περιγράφονται τα φασματικά χαρακτηριστικά της διόδου και διερευνώνται οι διαφορετικές περιοχές λειτουργίας του λέιζερ μικροδακτυλίου. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας αυτής παρουσιάζονται οι πειραματικές μετρήσεις. Η πειραματική διερεύνηση αρχικά ξεκινά με τον χαρακτηρισμό τόσο αμιγώς ενεργών διατάξεων, όσο και ενεργών-παθητικών. Μελετήθηκαν δακτύλιοι με διαφορετικές ακτίνες ενώ η διερεύνηση των περιοχών λειτουργίας των λέιζερ έγινε μέσω των οπτικών φασμάτων, φασμάτων χρονικής εξέλιξης, των χαρακτηριστικών καμπυλών ισχύος εξόδου συναρτήσει του ρεύματος (L-I), ενώ επιβεβαιώθηκε η συσχέτιση μεταξύ του συντελεστή σύζευξης και των ρευμάτων κατωφλίου των λέιζερ. Μελετήθηκαν φαινόμενα μεταπήδησης τρόπων, μετρήθηκαν οι θόρυβοι φάσης και έντασης, ενώ επιβεβαιώθηκε η πλήρης ταύτιση των πειραματικών ευρημάτων με τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές. Οι δυνατότητες συντονισμού των λέιζερ μικροδακτυλίου παρουσιάζονται στη συνέχεια για όλα τα είδη που προαναφέρθηκαν όπου αναφέρεται εύρος συντονισμού έως και 40nm. Τέλος, παρουσιάζονται εφαρμογές των ενεργών διατάξεων μικροδακτυλίου. Πιο συγκεκριμένα, η δυνατότητα άμεσης διαμόρφωσης των λέιζερ μικροδακτυλίου εως 7Gb/s και η διάδοση ενός οπτικά διαμορφωμένου σήματος σε 100km μονότροπης οπτικής ίνας για 5Gb/s. Επίσης, το λέιζερ μικροδακτυλίου χρησιμοποιήθηκε για μετατροπή μήκους κύματος σε αντίστοιχους ρυθμούς αλλά και ως οπτικός ενισχυτής σε λειτουργία λίγο κάτω από το κατώφλι. Με τον τρόπο αυτό ενισχύθηκαν σήματα της τάξης των 10Gb/s κατά 10 περίπου dB