Optical Delay Interferometers and their Application for Self-coherent Detection

Self-coherent receivers are promising candidates for reception of 100 Gbit/s data rates in optical networks. Self-coherent receivers consist of multiple optical delay interferometers (DI) with high-speed photodiodes attached to the outputs. By DSP of the photo currents it becomes possible to receive coherently modulated optical signals. Especially promising for 100 Gbit/s networks is the PolMUX DQPSK format, the self-coherent reception of which is described in detail

Silicon-organic hybrid (SOH) electro-optic modulators for high-speed and power-efficient communications

Silicon-organic hybrid (SOH) modulators add a highly efficient nonlinear organic electro-optic cladding material to the silicon photonic platform, thereby enabling efficient electro-optic modulation. In this book, the application potential of SOH modulators is investigated. Proof-of-principle experiments show that they can be used for high-speed communications at symbol rates up to 100 GBd and operated directly from a field-programmable gate array (FPGA) without additional driver amplifiers

Silicon Photonic Modulators for Low-power Applications

In this book, silicon photonic integrated circuits are combined with electro-optic organic materials for realizing energy-efficient modulators with unprecedented performance. These silicon-organic hybrid Mach-Zehnder modulators feature a compact size, sub-Volt drive voltages, and they support data rates up to 84 Gbit/s. In addition, a wet chemical waveguide fabrication scheme and an efficient fiber-chip coupling scheme are presented

Doctor of Philosophy

dissertationRecent breakthroughs in silicon photonics technology are enabling the integration of optical devices into silicon-based semiconductor processes. Photonics technology enables high-speed, high-bandwidth, and high-fidelity communications on the chip-scale-an important development in an increasingly communications-oriented semiconductor world. Significant developments in silicon photonic manufacturing and integration are also enabling investigations into applications beyond that of traditional telecom: sensing, filtering, signal processing, quantum technology-and even optical computing. In effect, we are now seeing a convergence of communications and computation, where the traditional roles of optics and microelectronics are becoming blurred. As the applications for opto-electronic integrated circuits (OEICs) are developed, and manufacturing capabilities expand, design support is necessary to fully exploit the potential of this optics technology. Such design support for moving beyond custom-design to automated synthesis and optimization is not well developed. Scalability requires abstractions, which in turn enables and requires the use of optimization algorithms and design methodology flows. Design automation represents an opportunity to take OEIC design to a larger scale, facilitating design-space exploration, and laying the foundation for current and future optical applications-thus fully realizing the potential of this technology. This dissertation proposes design automation for integrated optic system design. Using a buildingblock model for optical devices, we provide an EDA-inspired design flow and methodologies for optical design automation. Underlying these flows and methodologies are new supporting techniques in behavioral and physical synthesis, as well as device-resynthesis techniques for thermal-aware system integration. We also provide modeling for optical devices and determine optimization and constraint parameters that guide the automation techniques. Our techniques and methodologies are then applied to the design and optimization of optical circuits and devices. Experimental results are analyzed to evaluate their efficacy. We conclude with discussions on the contributions and limitations of the approaches in the context of optical design automation, and describe the tremendous opportunities for future research in design automation for integrated optics

Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben

Single-Laser Multi-Terabit/s Systems

Optical communication systems carry the bulk of all data traffic worldwide. This book introduces multi-Terabit/s transmission systems and three key technologies for next generation networks. A software-defined multi-format transmitter, an optical comb source and an optical processing scheme for the fast Fourier transform for Tbit/s signals. Three world records demonstrate the potential: The first single laser 10 Tbit/s and 26 Tbit/s OFDM and the first 32.5 Tbit/s Nyquist WDM experiments

Single-Laser Multi-Terabit/s Systems

Optical communication systems carry the bulk of all data traffic worldwide. This book introduces multi-Terabit/s transmission systems and three key technologies for next generation networks. A software-defined multi-format transmitter, an optical comb source and an optical processing scheme for the fast Fourier transform for Tbit/s signals. Three world records demonstrate the potential: The first single laser 10 Tbit/s and 26 Tbit/s OFDM and the first 32.5 Tbit/s Nyquist WDM experiments

Fully-photonic digital radio over fibre for future super-broadband access network applications

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel UniversityIn this thesis a Fully-Photonic DRoF (FP-DRoF) system is proposed for deploying of future super-broadband access networks. Digital Radio over Fibre (DRoF) is more independent of the fibre network impairments and the length of fibre than the ARoF link. In order for fully optical deployment of the signal conversion techniques in the FP-DRoF architecture, two key components an Analogue-to-Digital Converter (ADC) and a Digital-to-Analogue Converter (DAC)) for data conversion are designed and their performance are investigated whereas the physical functionality is evaluated. The system simulation results of the proposed pipelined Photonic ADC (PADC) show that the PADC has 10 GHz bandwidth around 60 GHz of sampling rate. Furthermore, by changing the bandwidth of the optical bandpass filter, switching to another band of sampling frequency provides optimised performance condition of the PADC. The PADC has low changes on the Effective Number of Bit (ENOB) response versus analogue RF input from 1 GHz up to 22 GHz for 60 GHz sampling frequency. The proposed 8-Bit pipelined PADC performance in terms of ENOB is evaluated at 60 Gigasample/s which is about 4.1. Recently, different methods have been reported by researchers to implement Photonic DACs (PDACs), but their aim was to convert digital electrical signals to the corresponding analogue signal by assisting the optical techniques. In this thesis, a Binary Weighted PDAC (BW-PDAC) is proposed. In this BW-PDAC, optical digital signals are fully optically converted to an analogue signal. The spurious free dynamic range at the output of the PDAC in a back-to-back deployment of the PADC and the PDAC was 26.6 dBc. For further improvement in the system performance, a 3R (Retiming, Reshaping and Reamplifying) regeneration system is proposed in this thesis. Simulation results show that for an ultrashort RZ pulse with a 5% duty cycle at 65 Gbit/s using the proposed 3R regeneration system on a link reduces rms timing jitter by 90% while the regenerated pulse eye opening height is improved by 65%. Finally, in this thesis the proposed FP-DRoF functionality is evaluated whereas its performance is investigated through a dedicated and shared fibre links. The simulation results show (in the case of low level signal to noise ratio, in comparison with ARoF through a dedicated fibre link) that the FP-DRoF has better BER performance than the ARoF in the order of 10-20. Furthermore, in order to realize a BER about 10-25 for the ARoF, the power penalty is about 4 dBm higher than the FP-DRoF link. The simulation results demonstrate that by considering 0.2 dB/km attenuation of a standard single mode fibre, the dedicated fibre length for the FP-DRoF link can be increased to about 20 km more than the ARoF link. Moreover, for performance assessment of the proposed FP-DRoF in a shared fibre link, the BER of the FP-DRoF link is about 10-10 magnitude less than the ARoF link for -19 dBm launched power into the fibre and the power penalty of the ARoF system is 10 dBm more than the FP-DRoF link. It is significant to increase the fibre link’s length of the FP-DRoF access network using common infrastructure. In addition, the simulation results are demonstrated that the FP-DRoF with non-uniform Wavelength Division Multiplexing (WDM) is more robust against four wave mixing impairment than the conventional WDM technique with uniform wavelength allocation and has better performance in terms of BER. It is clearly verified that the lunched power penalty at CS for DRoF link with uniform WDM techniques is about 2 dB higher than non-uniform WDM technique. Furthermore, uniform WDM method requires more bandwidth than non-uniform scheme which depends on the total number of channels and channels spacing