Optically switched 56 GBd PAM-4 using a hybrid InP-TriPleX integrated tunable laser based on silicon nitride micro-ring resonators

Tunable lasers are key elements for switching fabrics in future datacenter networks. Experimental results show transmission of 56 GBd PAM-4 data in a switching environment using an integrated silicon nitride micro-ring resonator based tunable laser

InAs/InP Quantum Dash Semiconductor Coherent Comb Lasers and their Applications in Optical Networks

We report on the design, growth, and fabrication of InAs/InP quantum dash (QD) gain materials and their use in lasers for optical network applications. A noise performance comparison between QD and quantum well (QW) Fabry–Perot (F-P) lasers has been made. By using the QD gain material we have successfully developed and assembled C-band coherent comb laser (CCL) modules with an electrical fast feedback loop control system to ensure a targeted mode frequency spacing. The frequency spacing was maintained within ±100 ppm and the operation wavelengths locked on the desired ITU grid within 0.01 nm over a period of several months. We also investigated a 25-GHz C-band QD CCL with an external cavity self-injection feedback locking (SIFL) system to reduce the optical linewidth of each individual channel to below 200 kHz in the wavelength range from 1537.55 nm to 1545.14 nm. The RF mode beating signal 3-dB bandwidth was also reduced from 9 kHz to approximately 500 Hz with this SIFL system. These QD CCLs with ultra-low relative intensity noise (RIN), ultra-narrow optical linewidth, and ultra-low timing jitter are excellent laser sources for multi-terabit optical networks. Using a 34.2 GHz QD CCL we demonstrate 10.8 Tbit/s (16QAM 48 × 28 GBaud PDM) coherent data transmission over 100 km of standard single mode fiber (SSMF) and 5.4 Tbit/s (PAM-4 48 × 28 GBaud PDM) aggregate data transmission capacity over 25 km of SSMF with error-free operation

Characterization and direct modulation of a multi-section PIC suited for short reach optical communication systems

A multi-section active photonic integrated circuit (PIC) is characterized in detail to gauge its suitability as a transmitter for short reach applications. The PIC is 1.5 mm long and consists of two lasers integrated in a master-slave configuration, which enables optical injection locking (OIL) of the slave laser. The beneficial impact of the injection is characterized by static and dynamic measurements. The results show a reduction of the optical linewidth from 8 MHz to 2 MHz, a relative intensity noise (RIN) value as low as −154.3 dB/Hz and a 45% improvement of the slave laser modulation bandwidth from 9.5 GHz to 14 GHz. This frequency response enhancement allows the direct modulation of the slave gain section at a data rate of 10.7 Gb/s and an error-free transmission over 25 km of standard single-mode fiber (SSMF). Transmission performance of the injected case shows a 2 dB improvement in the minimum optical power required to achieve a bit error rate of 3.8×10−3 (hard decision forward error correction limit). These results demonstrate that the multi-section PIC can serve as an attractive cost-efficient transmitter in a wide variety of low-cost short-reach data communication applications

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

Development of high capacity transmission systems for future optical access networks

The cost-sensitivity of NG-PON2 and future optical access networks, employing wavelength division multiplexing (WDM) technology, may preclude the use of conventional LiNbO3-based intensity and I/Q modulators, as they are currently too expensive for use in the access domain. Cost-effective directly modulated lasers (DMLs) and electro-absorption modulated lasers (EMLs) will need to be employed and, thus, are expected to be integral components in the realisation of tunable laser sources for future optical access networks. The limitations of DMLs and EMLs as transmitters merit thorough investigation to further understand how these devices can be adapted or optimised for use as tunable laser sources in future optical access networks. In this thesis, the transmission performance of a directly modulated DFB laser (DML) and an externally modulated DFB laser monolithically integrated with an EAM (EML), are investigated. The performance of both devices under 12.5 Gbit/s NRZ-OOK modulation are evaluated for transmission over standard single-mode fibre (SSMF) in an IM/DD test-bed, with a view to further understanding the limitations of DMLs and EMLs in 10 Gbit/s IM/DD systems. Particular attention is given to the frequency chirp of the devices and how the chirp affects the performances of the devices for transmission over SSMF up to 50 km in length. Numerical models, which were developed in MATLAB, are utilised to simulate the characteristics and transmission performances of both the DML and EML. The latter half of this thesis is focused on the development of a self-seeded Fabry-Pérot (SS-FP) laser. The SS-FP laser is optimised and characterised, and the transmission performance of the directly modulated SS-FP laser over SSMF is evaluated in an IM/DD test-bed. Two intensity modulation (IM) formats are assessed, 12.5 Gbit/s NRZ-OOK and 12.5 Gbaud/s (25 Gbit/s) multilevel PAM-4, both IM formats are compatible with 10G class optical components and legacy PON deployments. The SS-FP laser holds potential for photonic integration, justifying its consideration as a candidate tunable laser source for next generation PONs and future optical access networks