All-semiconductor High Power Mode-locked Laser System

All-optical synchronization and its application in advanced optical communications have been investigated in this dissertation. Dynamics of all-optical timing synchronization (clock recovery) using multi-section gain-coupled distributed-feedback (MS-GC DFB) lasers are discussed. A record speed of 180-GHz timing synchronization has been demonstrated using this device. An all-optical carrier synchronization (phase and polarization recovery) scheme from PSK (phase shift keying) data is proposed and demonstrated for the first time. As an application of all-optical synchronization, the characterization of advanced modulation formats using a linear optical sampling technique was studied. The full characterization of 10-Gb/s RZ-BPSK (return-to-zero binary PSK) data has been demonstrated. Fast lockup and walk-off of the all-optical timing synchronization process on the order of nanoseconds were measured in both simulation and experiment. Phase stability of the recovered clock from a pseudo-random bit sequence signal can be achieved by limiting the detuning between the frequency of free-running self-pulsation and the input bit rate. The simulation results show that all-optical clock recovery using TS-DFB lasers can maintain a better than 5 % clock phase stability for large variations in power, bit rate and optical carrier frequency of the input data and therefore is suitable for applications in ultrafast optical packet switching. All-optical timing synchronization of 180-Gb/s data streams has been demonstrated using a MS-GC DFB laser. The recovered clock has a jitter of less than 410 fs over a dynamic range of 7 dB. All-optical carrier synchronization from phase modulated data utilizes a phase sensitive oscillator (PSO), which used a phase sensitive amplifier (PSA) as a gain block. Furthermore, all-optical carrier synchronization from 10-Gb/s BPSK data was demonstrated in experiment. The PSA is configured as a nonlinear optical loop mirror (NOLM). A discrete linear system analysis was carried out to understand the stability of the PSO. Complex envelope measurement using coherent linear optical sampling with mode-locked sources is investigated. It is shown that reliable measurement of the phase requires that one of the optical modes of the sampling pulses be locked to the optical carrier of the data signal to be measured. Carrier-envelope offset (CEO) is found to have a negligible effect on the measurement. Measurement errors of the intensity profile and phase depend on the pulsewidth and chirp of the sampling pulses as well as the detuning between the carrier frequencies of the data signal and the center frequency of the sampling source. Characterization of the 10-Gb/s RZ-BPSK signal was demonstrated using the coherent detection technique. Measurements of the optical intensity profile, chirp and constellation diagram were demonstrated. A CW local oscillator was used and electrical sampling was performed using a sampling scope. A novel feedback scheme was used to stabilize homodyne detection

Low power CMOS IC, biosensor and wireless power transfer techniques for wireless sensor network application

The emerging field of wireless sensor network (WSN) is receiving great attention due to the interest in healthcare. Traditional battery-powered devices suffer from large size, weight and secondary replacement surgery after the battery life-time which is often not desired, especially for an implantable application. Thus an energy harvesting method needs to be investigated. In addition to energy harvesting, the sensor network needs to be low power to extend the wireless power transfer distance and meet the regulation on RF power exposed to human tissue (specific absorption ratio). Also, miniature sensor integration is another challenge since most of the commercial sensors have rigid form or have a bulky size. The objective of this thesis is to provide solutions to the aforementioned challenges

Wireless wire - ultra-low-power and high-data-rate wireless communication systems

With the rapid development of communication technologies, wireless personal-area communication systems gain momentum and become increasingly important. When the market gets gradually saturated and the technology becomes much more mature, new demands on higher throughput push the wireless communication further into the high-frequency and high-data-rate direction. For example, in the IEEE 802.15.3c standard, a 60-GHz physical layer is specified, which occupies the unlicensed 57 to 64 GHz band and supports gigabit links for applications such as wireless downloading and data streaming. Along with the progress, however, both wireless protocols and physical systems and devices start to become very complex. Due to the limited cut-off frequency of the technology and high parasitic and noise levels at high frequency bands, the power consumption of these systems, especially of the RF front-ends, increases significantly. The reason behind this is that RF performance does not scale with technology at the same rate as digital baseband circuits. Based on the challenges encountered, the wireless-wire system is proposed for the millimeter wave high-data-rate communication. In this system, beamsteering directional communication front-ends are used, which confine the RF power within a narrow beam and increase the level of the equivalent isotropic radiation power by a factor equal to the number of antenna elements. Since extra gain is obtained from the antenna beamsteering, less front-end gain is required, which will reduce the power consumption accordingly. Besides, the narrow beam also reduces the interference level to other nodes. In order to minimize the system average power consumption, an ultra-low power asynchronous duty-cycled wake-up receiver is added to listen to the channel and control the communication modes. The main receiver is switched on by the wake-up receiver only when the communication is identified while in other cases it will always be in sleep mode with virtually no power consumed. Before transmitting the payload, the event-triggered transmitter will send a wake-up beacon to the wake-up receiver. As long as the wake-up beacon is longer than one cycle of the wake-up receiver, it can be captured and identified. Furthermore, by adopting a frequency-sweeping injection locking oscillator, the wake-up receiver is able to achieve good sensitivity, low latency and wide bandwidth simultaneously. In this way, high-data-rate communication can be achieved with ultra-low average power consumption. System power optimization is achieved by optimizing the antenna number, data rate, modulation scheme, transceiver architecture, and transceiver circuitries with regards to particular application scenarios. Cross-layer power optimization is performed as well. In order to verify the most critical elements of this new approach, a W-band injection-locked oscillator and the wake-up receiver have been designed and implemented in standard TSMC 65-nm CMOS technology. It can be seen from the measurement results that the wake-up receiver is able to achieve about -60 dBm sensitivity, 10 mW peak power consumption and 8.5 µs worst-case latency simultaneously. When applying a duty-cycling scheme, the average power of the wake-up receiver becomes lower than 10 µW if the event frequency is 1000 times/day, which matches battery-based or energy harvesting-based wireless applications. A 4-path phased-array main receiver is simulated working with 1 Gbps data rate and on-off-keying modulation. The average power consumption is 10 µW with 10 Gb communication data per day

Coherent terabit/s communications using chip-scale optical frequency comb sources

Der Visual Networking Index (VNI) der Firma Cisco weist für den weltweiten Internetverkehr eine durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26% aus und prognostiziert 2022 einen jährliche Datenverkehr von 4,8 Zettabyte [1]. Um diesem Anstieg des Netzwerkverkehrs zu begegnen, ist die kohärente Datenübertragung in Kombination mit sogenanntem Wellenlängenmultiplex (engl. wavelength-division multiplexing, WDM) in Langstrecken-Glasfasernetzwerken zum Standard geworden. Mit der verstärkten Nutzung von Cloud-basierten Diensten, dem wachsenden Trend, Inhalte in die Nähe der Endbenutzer zu bringen, und der steigenden Anzahl angeschlossener Geräte in sog. Internet-of-Things-(IoT-)Szenarien, wird der Datenverkehr auf allen Netzebenen voraussichtlich weiter drastisch ansteigen. Daher wird erwartet, dass die WDM-Übertragung mittelfristig auch kürzere Verbindungen verwendet werden wird, die in viel größeren Stückzahlen eingesetzt werden als Langstreckenverbindungen und bei denen die Größe und die Kosten der Transceiver-Baugruppen daher wesentlich wichtiger sind. In diesem Zusammenhang werden optische Frequenzkammgeneratoren als kompakte und robuste Mehrwellenlängen-Lichtquellen eine wichtige Rolle spielen. Sie können sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite einer kohärenten WDM-Verbindung eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger oder Lokaloszillator-Signale liefern. Ein besonders wichtiger Vorteil der Frequenzkämme ist die Tatsache, dass die Spektrallinien von Natur aus äquidistant sind und durch nur zwei Parameter − die Mittenfrequenz und den freien Spektralbereich − definiert werden. Dadurch kann eine auf eine individuelle Frequenzüberwachung der einzelnen Träger verzichtet werden, und etwaige spektrale Schutzbänder zwischen benachbarten Kanälen können stark reduziert werden oder komplett wegfallen. Darüber hinaus erleichtert die inhärente Phasenbeziehung zwischen den Trägern eines Frequenzkamms die gemeinsame digitale Signalverarbeitung der WDM-Kanäle, was die Empfängerkomplexität reduzieren und darüber hinaus auch die Kompensation nichtlinearer Kanalstörungen ermöglichen kann. Unter den verschiedenen Kammgeneratoren sind Bauteile im Chip-Format der Schlüssel für künftige WDM-Transceiver, die eine kompakte Bauform aufweisen und sich kosteneffizient in großen Stückzahlen herstellen lassen sollen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von neuartigen Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format im Hinblick auf deren Eignung für die massiv parallele WDM-Übertragung. Diese Bauteile lassen sich nicht nur als Mehrwellenlängen-Lichtquellen auf der Senderseite einsetzen, sondern bieten sich auch als Mehrwellenlängen-Lokaloszillatoren (LO) für den parallelen kohärenten Empfang mehrerer WDM-Kanäle an. Bei den untersuchten Bauteilen handelt es sich um gütegeschaltete Laserdioden (engl. Gain-Switched Laser Diodes), modengekoppelte Laserdioden auf Basis von Quantenstrich-Strukturen (Quantum-Dash Mode-Locked Laser Diodes, QD-MLLD) und sog. Kerr-Kamm-Generatoren, die optische Nichtlinearitäten dritter Ordnung in Ringresonatoren hoher Güte ausnutzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Datenübertragungsexperimenten, die die Eignung der verschiedenen Kammquellen untersuchen und die in den internationalen Fachzeitschriften Nature und Optics Express veröffentlicht wurden [J1]-[J4]. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in das Thema der optischen Datenübertragung und der zugehörigen WDM-Verfahren. In diesem Zusammenhang werden die Vorteile optischer Frequenzkämme als Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung und den WDM-Empfang erläutert. Die einige Inhalte dieses Kapitels sind dem Buchkapitel [B1] entnommen, wobei Änderungen zur Anpassung an die Struktur und Notation der vorliegenden Arbeit vorgenommen wurden. In Kapitel 2 wird eine grundlegende Einführung in optische Kommunikations-systeme mit Schwerpunkt auf Hochleistungsverbindungen gegeben, die auf WDM und kohärenten Übertragungsverfahren beruhen. Außerdem wird die integrierte Optik als wichtiges technologisches Element zum Bau kostengünstiger und kompakter WDM-Transceiver vorgestellt. Das Kapitel gibt ferner einen Überblick über verschiedene optische Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format, die sich als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für solche Transceiver anbieten, und es werden grundlegende Anforderungen an optische Frequenzkammgeneratoren formuliert, die für WDM-Anwendungen relevant sind. Das Kapitel endet mit einer vergleichenden Diskussion der verschiedenen Kammgeneratoren sowie einer Zusammenfassung ausgewählter WDM-Datenübertragungsexperimente, die mit diesen Kammgeneratoren demonstriert wurden. In Kapitel 3 wird die kohärente WDM-Sendetechnik und der kohärente WDM-Empfang mit einer gütegeschalteten Laserdiode (GSLD) diskutiert. Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein Versuchsaufbau, in dem der empfängerseitige Kammgenerator aktiv mit dem senderseitigen Generator synchronisiert wurde. Das Experiment stellt die weltweit erste Demonstration einer kohärenten WDM-Übertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s dar, bei dem synchronisierte Frequenzkämme als Mehrwellenlängen-Lichtquelle am Sender und als Mehrwellenlängen-LO am Empfänger verwendet werden. Kapitel 4 untersucht das Potenzial von QD-MLLD als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung. Diese Kammgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Größe und des einfachen Betriebs besonders attraktiv. Die erzeugten Kammlinien weisen jedoch ein hohes Phasenrauschen auf, das die Modulationsformate in früheren Übertragungsexperimenten auf 16QAM begrenzte. In diesem Kapitel wird gezeigt, dass QD-MLLD die WDM-Übertragung mit Modulationsformaten jenseits von 16QAM unterstützen kann, wenn eine optische Rückkopplung durch einen externen Resonator zur Reduzierung des Phasenrauschens der Kammlinien verwendet wird. In den Experimenten wird eine Reduzierung der intrinsischen Linienbreite um etwa zwei Größenordnungen demonstriert, was eine 32QAM-WDM-Übertragung ermöglicht. Die Demonstration der Datenübertragung mit einer Rate von 12 Tbit/s über eine 75 km lange Faser mit einer spektralen Netto-Effizienz von 7,5 Bit/s/Hz stellt dabei die höchste für diese Bauteile gezeigte spektrale Effizienz dar. Gegenstand von Kapitel 5 ist die WDM-Übertragung und der kohärente Empfang mit QD-MLLD vor. Die Vorteile der Skalierbarkeit von QD-MLLD für massiv parallele WDM-Verbindungen werden also nicht nur am Sender, wie in Kapitel 4 beschrieben, sondern auch am Empfänger ausgenutzt. So konnte ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 4,1 Tbit/s über eine Distanz von 75 km übertragen werden, indem ein Paar von QD-MLLD mit ähnlichen freien Spektralbereichen verwendet wurde – ein Bauteil zur Erzeugung der optischen Träger am WDM-Sender und ein weiteres Bauteil zur Bereitstellung der erforderlichen LO-Töne für den kohärenten WDM-Empfang. Kapitel 6 beschreibt WDM-Datenübertragungsexperimente mit Hilfe von Kerr-Kamm-Generatoren. Dazu werden sog. dissipative Kerr-Solitonen (engl. dissipative Kerr solitons, DKS) in integriert-optischen Mikroresonatoren genutzt, die wegen zur Erzeugung einer streng periodischen Folge ultra-kurzer optischer Impulsen im Zeitbereich und damit zu einem breitbandigen, für WDM-Systeme sehr gut geeigneten Frequenzkamm führen. Mit diesen DKS-Kämmen wird ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 55,0 Tbit/s über eine 75 km lange Faser übertragen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war dies die höchste Datenrate, welche mit einer chip-basierten Frequenzkammquelle erreicht wurde. Das Ergebnis zeigt das Potenzial der Kammquellen für WDM-Übertragung. Darüber hinaus wird der kohärente Empfang von 93 WDM-Kanälen mit einer Datenrate von 37,2 Tbit/s unter Verwendung eines DKS-Kamms als Multiwellenlängen-LO demonstriert; die Übertragung erfolgt über eine 75 km lange Faser. Diese Arbeiten wurde in der international renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature publiziert. Kapitel 7 fasst die Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Anwendung der diskutierten Kammgeneratoren in zukünftigen WDM-Systemen