High speed coherent subsystems analysis using photoelectric real-time analog-to-digital acquisition and offline signal processing

Orientadores: Evandro Conforti, Rafael Carvalho Figueiredo e Cristiano de Mello GallepTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: São introduzidas técnicas para a caraterização de dispositivos fotônicos utilizando aquisição ultrarrápida da portadora luminosa após sua fotodetecção, de maneira direta ou coerente. Os dados são digitalizados e memorizados em alta velocidade, formando pacotes de dados a serem posteriormente analisados por algoritmos offline. Estes algoritmos permitem a extração de informações relacionadas à operação dinâmica dos componentes fotônicos, responsáveis pela geração, modulação ou amplificação da portadora óptica. Seguindo essa nova metodologia em seus primeiros procedimentos, as distorções harmônicas em moduladores eletro-ópticos por interferometria são caracterizadas, em função da frequência elétrica de modulação. Para tanto, desenvolveu-se uma técnica baseada na verificação da sobremodulação do sinal óptico no domínio do tempo e da frequência, em função das propriedades dos sinais elétricos modulantes. São apresentados resultados mostrando a limitação de banda de operação de tais dispositivos, acarretando o consequente aumento de sua tensão de meia-onda, assim como alguns efeitos não lineares. Em um segundo procedimento, apresenta-se a caracterização do ruído de fase e frequência em lasers semicondutores operando em modo de onda contínua. A técnica empregada é baseada na recepção coerente da portadora luminosa, misturada com um oscilador local de referência, com posterior análise temporal empregando algoritmo offline. Os resultados oferecem uma visão mais profunda sobre a natureza de fenômenos correlatos à perda de coerência do sinal luminoso, além de oferecerem uma estimativa de sua largura de linha. Por fim, caracterizam-se as distorções em amplitude, frequência e fase, resultantes do chaveamento de uma portadora luminosa por uma chave espacial eletro-óptica baseada em amplificador óptico a semicondutor (SOA), em função das condições operacionais de tais dispositivos. Nesse contexto, determina-se a região ótima de operação do dispositivo, além de suas características desejáveis, sob a perspectiva do chaveamento por um SOA de um sinal modulado em amplitude. Adicionalmente, caracteriza-se o gorjeio de frequência e o ruído de fase decorrentes das não linearidades intrínsecas à sua operaçãoAbstract: Techniques for characterization of photonic devices are presented. The experimental procedures employ ultrafast acquisition of the electromagnetic optical wave, after its photodetection through direct or coherent reception schemes. The acquired data is digitalized and stored in high-speed memories, resulting in packets suitable for the posterior offline analysis. The developed algorithms allow the extraction of information regarding the dynamic operation of the photonic devices responsible for the optical carrier generation, modulation, or amplification. By employing this new methodology and interferometric principles, the harmonic distortions on electro-optical modulators are characterized as a function of their electrical modulation frequency. Therefore, a characterization technique based on the overmodulation analysis was developed, allowing the verification of the signal quality in the time and frequency domains as a function of the properties of the electrical modulation signals. The achieved results show the device frequency limitations, resulting in the increase of its half-wave voltage, as well as some nonlinear effects. Following, the phase and frequency noise in semiconductor lasers under continuous wave operating mode are characterized. The employed technique is based on the optical carrier coherent reception, mixed with a reference local oscillator, allowing its temporal analysis with an offline algorithm. The achieved results allow a thoughtful insight on the loss of coherence events nature, in addition to the estimation of lasers' linewidth. Finally, the characterization of amplitude, frequency, and phase distortions due to the optical carrier switching by an electro-optical space switch based on semiconductor optical amplifier (SOA), as a function of its operating properties, are discussed. In this sense, the optimum operational region and the desired device characteristics are determined for the switching of an amplitude modulated optical carrier case. Additionally, the frequency chirp and phase noise, due to SOAs' intrinsic nonlinear behavior, are characterizedDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutor em Engenharia ElétricaFAPESPCNP

Theoretical and experimental characterization of quadrature optical modulators using opposed-phase signals

Orientador: Evandro ConfortiDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A crescente demanda do mercado por um maior aproveitamento da capacidade de transmissão dos sistemas ópticos faz com que técnicas de modulação avançadas sejam cada vez mais consideradas em aplicações práticas. Dentre suas vantagens, tem-se uma melhora significativa na eficiência espectral, na resistência contra diversos efeitos não-lineares e fontes de ruído, assim como uma diminuição na frequência de operação da eletrônica empregada no sistema. Com isso em vista, buscou-se a realização de uma análise completa das principais propriedades de diversas técnicas de modulações avançadas, baseadas na manipulação tanto da amplitude como da fase do sinal óptico e utilizadas em conjunto com sistemas de multiplexação por polarização e comprimento de onda. Nos testes laboratoriais, o objetivo foi a caracterização de um Modulador IQ, responsável pela geração de sinais modulados em 64QAM, 16QAM e DQPSK, bem como de diversos outros componentes necessários para a implementação de um sistema de comunicação óptico coerente completo. Dessa forma, a estrutura básica do sistema foi analisada e compreendida para que em trabalhos futuros sua implementação seja concluída e testes mais detalhados possam ser realizadosAbstract: The market¿s increasing demand for high capability optical systems requested advanced modulation techniques considered in practical applications. Among its advantages, a significant improvement in spectral efficiency, immunity against various nonlinear effects and noise sources were obtained with a decrease in the operation frequency of the electronics. With that in mind, we sought to conduct an analysis throughout the key properties of various advanced modulation techniques, based on the manipulation of both the amplitude and the phase of the optical signal, and used together with multiplexing systems for polarization and wavelength. Many laboratory tests were made with the objective of characterizing an IQ Modulator, responsible for generating DQPSK, 16-QAM and 64-QAM signals, as well as many other components required for the implementation of a complete coherent optical communication system. Thus achieving the understanding of the system¿s basic structure, the realization of a more complete and detailed set of tests will be possibleMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia Elétric