A new frequency distribution architecture for wavelength division systems

Includes bibliographical references (p. 10-16)."Presented at Octima '91, Rome, Italy, January 1991."--Cover. Cover title.Research supported by DARPA. F19628-90-C-0002 Research supported by Bellcore, Nynex and NEC.Pierre A. Humblet, Peter C. Li

A monolithic MQW InP-InGaAsP-Based optical comb generator

We report the first demonstration of a monolithic optical-frequency comb generator. The device is based on multi-section quaternary/quaternary eight-quantum-well InP-InGaAsP material in a frequency-modulated (FM) laser design. The modulation is generated using quantum-confined Stark-effect phase-induced refractive index modulation to achieve fast modulation up to 24.4 GHz. The laser was fabricated using a single epitaxial growth step and quantum-well intermixing to realize low-loss phase adjustment and modulation sections. The output was quasicontinuous wave with intensity modulation at less than 20% for a total output power of 2 mW. The linewidth of each line was limited by the linewidth of the free running laser at an optimum of 25 MHz full-width at half-maximum. The comb generator produces a number of lines with a spacing exactly equal to the modulation frequency (or a multiple of it), differential phase noise between adjacent lines of -82 dBc/Hz at 1-kHz offset (modulation source-limited), and a potential comb spectrum width of up to 2 THz (15 nm), though the comb spectrum was not continuous across the full span

A monolithic MQW InP/InGaAsP-based comb generator

We report a monolithic optical frequency comb generator using quaternary/quaternary multiple quantum well InV/InGaAsP material as phase modulator and gain medium in a Frequency Modulated (FM) laser design. The modulation was generated by quantum confined Stark effect to achieve a comb-line spacing of 24.4 GHz. The laser was fabricated using a single epitaxial growth step and quantum well intermixing to realize low loss phase and modulation sections. The resulting comb generator produces lines with a spacing exactly given by the modulation frequency, differential phase noise between adjacent lines of -82 dBc/Hz at 1 kHz offset and a comb spectrum width of up to 2 THz

Photonic synthesis of THz signals

In this paper we present a review of our work on photonic synthesis of high spectral purity THz signals. This work includes novel developments on optical frequency comb generation (integrated, 2THz span, 25 GHz spacing), frequency locking of semiconductor lasers (1kHz channel stability, 10 ns switching time) and high speed photodetectors integrated with antennas (3dB bandwidth > 108 GHz, 0.2 A/W responsivity 148 mu W output power at 457 GHz)

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

Generation and optimization of picosecond optical pulses for use in hybrid WDM/OTDM networks

The burgeoning demand for broadband services such as database queries, home shopping, video-on-demand, remote education, telemedicine and videoconferencing will push the existing networks to their limits. This demand was mainly fueled by the brisk proliferation of Personal Computers (PC) together with the exceptional increases in their storage capacity and processing capabilities and the widespread availability of the internet. Hence the necessity, to develop high-speed optical technologies in order to construct large capacity networks, arises. Two of the most popular multiplexing techniques available in the optical domain that are used in the building of such high capacity networks, are Wavelength Division Multiplexing (WDM) and Optical Time Division Multiplexing (OTDM). However merging these two techniques to form very high-speed hybrid WDM/OTDM networks brings about the merits of both multiplexing technologies. This thesis examines the development of one of the key components (picosecond optical pulses) associated to such high-speed systems. Recent analysis has shown that RZ format is superior to conventional NRZ systems as it is easier to compensate for dispersion and nonlinear effects in the fibre by employing soliton-like propagation. In addition to this development, the use of wavelength tunability for dynamic provisioning is another area that is actively researched on. Self-seeding of a gain switched Fabry Perot laser is shown to one of the simplest and cost effective methods of generating, transform limited optical pulses that are wavelength tunable over very wide ranges. One of the vital characteristics of the above mentioned pulse sources, is their Side Mode Suppression Ratio (SMSR). This thesis examines in detail how the pulse SMSR affects the performance of high-speed WDM/OTDM systems that employ self-seeded gain-switched pulse sources

Investigation of wavelength tunable laser modules for use in future optically switched dense wavelength division multiplexed networks

This thesis investigates the use of fast wavelength tunable laser modules in future optically switched dense wavelength division multiplexed networks (DWDM). The worldwide demand for increasingly greater broadband access has thus far been satisfied by the use of DWDM networks, enabled by the development of the erbium doped amplifier. However as this demand continues to grow electronic switching at network nodes will become a limiting factor, creating a potential bandwidth mismatch between the fibre capacities and switching capacity. Optical switching has been proposed to overcome this electronic bottleneck and fully utilize the enormous bandwidth offered by fibre. Fast tunable lasers (TLs) are a key technology in this area, enabling fast wavelength switching. Experimental work involving the fast wavelength switching of sampled grating distributed Bragg reflector TL modules is presented. Spurious mode generation during wavelength tuning is shown to cause severe cross-channel interference on other data channels in a DWDM test bed. Bit error rate (BER) results demonstrate that a integrated semiconductor optical amplifier can greatly reduce system degradation caused by asynchronous switching of multiple TLs. This is achieved by optically blanking the laser output during channel transition for a period of 60 ns. Immediately after the blanking period a wavelength drift due to the TL module wavelength locking is found to cause cross channel interference and introduce an error floor >1 e-4 on the BER performance characteristic of an adjacent channel in a 12.5 GHz spaced DWDM network. This drift is characterised, using a selfheterodyne and a filter based approach – Error free performance is subsequently demonstrated by using an extended blanking period of 260 ns or by using subcarrier multiplexing transmission and phase selective demodulation before detection. A DWDM optical label switching system, utilizing 40 Gbit/s payload data with low data rate labels placed on a 40 GHz sub-carrier and using TL transmitters is presented. Channel performance is monitored on a static channel as a second data channel is tuned into an adjacent channel on a 100 GHz spaced grid. Error free performance is demonstrated only for the channel payload – Time resolved BER results in agreement with the TL wavelength drift are measured and demonstrate a detrimental influence of the drift on the sub-carrier label performance

Optical Communication

Optical communication is very much useful in telecommunication systems, data processing and networking. It consists of a transmitter that encodes a message into an optical signal, a channel that carries the signal to its desired destination, and a receiver that reproduces the message from the received optical signal. It presents up to date results on communication systems, along with the explanations of their relevance, from leading researchers in this field. The chapters cover general concepts of optical communication, components, systems, networks, signal processing and MIMO systems. In recent years, optical components and other enhanced signal processing functions are also considered in depth for optical communications systems. The researcher has also concentrated on optical devices, networking, signal processing, and MIMO systems and other enhanced functions for optical communication. This book is targeted at research, development and design engineers from the teams in manufacturing industry, academia and telecommunication industries

Optical pulse generation and signal processing for the development of high-speed OTDM networks

Due to the continued growth of the Internet and the introduction of new broadband services, it is anticipated that individual channel data rates may exceed lOOGbit/s in the next 5-10 years. In order to operate at such high line rates new techniques for optical pulse generation and optical signal processing will have to be developed. As the overall data rate of an OTDM network is essentially determined by the temporal separation between data channels, an optical pulse source that is capable of producing ultra-short optical pulses at a high repetition rate and with wavelength tunability will be important, not only for OTDM, but for vanous applications in WDM and hybrid WDM/OTDM networks. This work demonstrates that by using the gain-switching technique, commercially available laser diodes can be used in the development of nearly transform-limited optical pulses that are wavelength tunable over nearly 65nm with durations ranging from 12-30ps and a Side-Mode Suppression Ratio (SMSR) exceeding 60dB. New optical signal processing techniques will also have to be developed in order to operate at individual data rates in excess of lOOGbit/s. Only nonlinear optical effects, present in fibres, semiconductors and optical crystals, can be employed as these occur on time scales in the order of a few-femtoseconds (10“15 5), with an example being Two-Photon Absorption (TPA) in semiconductors. This thesis describes a specially designed microcavity that can enhance the Two-Photon Absorption (TPA) response by over three orders of magnitude at specific wavelengths. A theoretical model demonstrating error-free demultiplexing of a 250Gbit/s OTDM signal via a TPA microcavity has been developed. Experimental work is also presented demonstrating the use of a TPA microcavity for optical sampling of 100GHz signals with a temporal resolution of 1 ps9 and system sensitivity of 0 009 (mW)2 This value for the sensitivity is the lowest ever reported for a TPA-based sampling system

Investigation of performance issues affecting optical circuit and packet switched WDM networks

Optical switching represents the next step in the evolution of optical networks. This thesis describes work that was carried out to examine performance issues which can occur in two distinct varieties of optical switching networks. Slow optical switching in which lightpaths are requested, provisioned and torn down when no longer required is known as optical circuit switching (OCS). Services enabled by OCS include wavelength routing, dynamic bandwidth allocation and protection switching. With network elements such as reconfigurable optical add/drop multiplexers (ROADMs) and optical cross connects (OXCs) now being deployed along with the generalized multiprotocol label switching (GMPLS) control plane this represents the current state of the art in commercial networks. These networks often employ erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) to boost the optical signal to noise ratio of the WDM channels and as channel configurations change, wavelength dependent gain variations in the EDFAs can lead to channel power divergence that can result in significant performance degradation. This issue is examined in detail using a reconfigurable wavelength division multiplexed (WDM) network testbed and results show the severe impact that channel reconfiguration can have on transmission performance. Following the slow switching work the focus shifts to one of the key enabling technologies for fast optical switching, namely the tunable laser. Tunable lasers which can switch on the nanosecond timescale will be required in the transmitters and wavelength converters of optical packet switching networks. The switching times and frequency drifts, both of commercially available lasers, and of novel devices are investigated and performance issues which can arise due to this frequency drift are examined. An optical packet switching transmitter based on a novel label switching technique and employing one of the fast tunable lasers is designed and employed in a dual channel WDM packet switching system. In depth performance evaluations of this labelling scheme and packet switching system show the detrimental impact that wavelength drift can have on such systems