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

A high-power laser transmitter for ground-based and airborne water-vapor measurements in the troposphere

A gain-switched high-power single-frequency Ti:sapphire laser was developed. It is pumped with a frequency-doubled diode-pumped Nd:YAG laser. The laser fulfills the requirements for a transmitter of a water-vapor differential absorption lidar (DIAL), intended for accurate high temporally- and spatially-resolved measurements from the ground to the upper troposphere. The laser was developed using thermal, resonator-design, spectral, and pulse-evolution models. There were layouts assembled for operation at 935 nm and 820 nm optimized for airborne and groundbased measurements, respectively. A birefringent filter and an external-cavity diode laser as an injection seeder are controlling the spectral properties of the transmitter. With a frequency stability of 99.7 %, the total error from the laser properties is smaller than 5 % for water-vapor measurements in the troposphere. The laser beam profile is near-Gaussian with M2 < 2. The achieved laser power was 4.5 W at 935 nm and 7 W at 820 nm at repetition rate of 250 Hz. These values are the highest reported for a single-frequency Ti:sapphire laser. As a part of a ground-based water-vapor DIAL system, the transmitter was deployed during the measurement campaign COPS (Convective and Orographically-induces Precipitation Study). Comparisons with radiosondes confirmed a high precision of the acquired water-vapor day- and nighttime measurements.Ein verstärkungsgeschalter leistungsstarker monofrequenter Ti:Saphir-Laser, der mit einem frequenzverdoppeltem diodengepumpten Nd:YAG Laser gepumpt ist, wurde entwickelt. Der Laser erfüllt die hohen Anforderungen eines Transmitters für ein Wasserdampf-Differential-Absorption-Lidar (DIAL), der mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung Messungen innerhalb der Troposphäre durchführen soll. Für die Entwicklung des Lasers wurden Modelle für die thermischen Eigenschaften, das Resonatordesign, das Emissionspektrum sowie den Pulsaufbau verwendet. Es wurden Laseraufbauten gefertigt, die für den Einsatz bei 935 nm für Flugzeug-Plattformen bzw. 820 nm für bodengestützte Messungen optimiert sind. Ein doppelbrechender Filter und ein External-Cavity-Diodenlaser als Injection-seeder sorgen für die hohe Güte der spektralen Eigenschaften des Senders. Mit einer Frequenzstabilität 99,7 % ist der Gesamtfehler der Wasserdampfmessungen in der Troposphäre, der durch die Eigenschaften des Lasers bedingt ist, kleiner als 5 %. Werte der mittleren Ausgangsleistung von 4,5 W bei 935 nm und 7 W bei 820 nm sind die zur Zeit höchsten, die von einem monofrequenten Ti:Saphir-Laser mit nahezu gaussförmigem Strahlprofil und M2 < 2 erreicht wurden. Als Teil eines bodengestützten Wasserdampf DIALs, wurde der Transmitter während der Messkampagne COPS (Convective and Orographically-induces Precipitation Study) verwendet. Vergleiche von Messungen bei Tag und bei Nacht mit Radiosondenaufstiegen zeigten gute Übereinstimmungen

Sixteenth International Laser Radar Conference, part 2

Given here are extended abstracts of papers presented at the 16th International Laser Radar Conference, held in Cambridge, Massachusetts, July 20-24, 1992. Topics discussed include the Mt. Pinatubo volcanic dust laser observations, global change, ozone measurements, Earth mesospheric measurements, wind measurements, imaging, ranging, water vapor measurements, and laser devices and technology

Semiconductor Optical Amplifier for Next Generation of High Data Rate Optical Packet-Switched Networks

This chapter provides an overview of considerations for the development of semiconductor optical amplifiers (SOA) for the next generations of packet-switched optical networks. SOA devices are suitable candidates in order to realize high-performance optical gates due to their high extinction ratio and fast switching time. However such devices also introduce linear and nonlinear noise. The impact of SOA devices on several modulation formats via theoretical model, numerical simulation, and experimental validation is studied. Impairments introduced by SOAs are considered in order to derive some general network design rules

Developing coherent optical wavelength conversion systems for reconfigurable photonic networks

In future optical networks that employ wavelength division multiplexing (WDM), the use of optical switching technologies on a burst or packet level, combined with advanced modulation formats would achieve greater spectral efficiency and utilize the existing bandwidth more efficiently. All-optical wavelength converters are expected to be one of the key components in these broadband networks. They can be used at the network nodes to avoid contention and to dynamically allocate wavelengths to ensure optimum use of fiber bandwidth. In this work, a reconfigurable wavelength converter comprising of a Semiconductor Optical Amplifier (SOA) as the nonlinear element and a fast-switching sampled grating distributed Bragg reflector (SG-DBR) tunable laser as one of the pumps is developed. The wavelength conversion of 12.5-Gbaud quadrature phase shift keying (QPSK) and Pol-Mul QPSK signals with switching time of tens of nanoseconds is experimentally achieved. Although the tunable DBR lasers can achieve ns tuning time, they present relatively large phase noise. The phase noise transfer from the pump to the converted signal can have a deleterious effect on signal quality and cause a performance penalty with phase modulated signals. To overcome the phase noise transfer issue, a wavelength converter using tunable dual-correlated pumps provided by the combination of a single-section quantum dash passively mode-locked laser (QD-PMLL) and a programmable tunable optical filter is designed and the wavelength conversion of QPSK and 16-quadrature amplitude modulation (16-QAM) signals at 12.5 GBaud is experimentally investigated. Nonlinear distortion of the wavelength converted signal caused by gain saturation effects in the SOA can significantly degrade the signal quality and cause difficulties for the practical wavelength conversion of sig nal data with advanced modulation formats. In this work, the machine learning clustering based nonlinearity compensation method is proposed to improve the tolerance to nonlinear distortion in an SOA based wavelength conversion system with 16 QAM and 64 QAM signals

Detector Improvements and Optimization to Advance Gravitational-wave Astronomy

The thesis covers a range of topics relevant to the current and future gravitational-wave facilities. After the last science observing run, O3, that ended in March 2020, the aLIGO and VIRGO gravitational-wave detectors are undergoing upgrades to improve their sensitivity. My thesis focuses on the work done at the LIGO Hanford Observatory to facilitate these upgrade activities. I worked to develop two novel technologies with applications to gravitational-wave detectors. First, I developed a high-bandwidth, low-noise, flexure-based piezo-deformable mirror for active mode-matching. Mode-matching losses limit improvements from squeezing as they distort the ground state of the squeezed beam. For broadband sensitivity improvements from frequency-dependent squeezing, it is critical to ensure low mode-mismatch losses. These piezo-deformable mirrors are being installed at the aLIGO facilities. Second, I worked to develop and test a high-resolution wavefront sensor that employs a time-of-flight sensor. By achieving phase-locking between the demodulation signal for the time-of-flight sensor and the incident modulated laser beam, this camera is capable of sensing higher-order mode distortions of the incident beam. Cosmic Explorer is a proposed next-generation gravitational-wave observatory in the United States that is planned to be operational by the mid-2030s. Cosmic Explorer along with Einstein Telescope will form a network of next-generation gravitational-wave detectors. I propose the science-goal-focused tunable design of the Cosmic Explorer detectors that allow for the possibility to tune with sensitivity at low, mid, and high frequencies. These tuning options give Cosmic Explorer the flexibility to target a diverse set of science goals with the same detector infrastructure. The technological challenges to achieving these tunable configurations are presented. I find that a 40 km Cosmic Explorer detector outperforms a 20 km in all key science goals other than access to post-merger physics. This suggests that Cosmic Explorer should include at least one 40 km facility. I also explore the detection prospects of core-collapse supernovae with the third-generation facilities -- Cosmic Explorer and Einstein Telescope. I find that the weak gravitational-wave signature from core-collapse supernovae limits the likely sources within our galaxy. This corresponds to a low event rate of two per century