Modeling transmitters, amplifiers and nonlinear circuits for the next generation optical networks

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-12-13
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
66, [39]
Series
Helsinki University of Technology Laboratory of Computational Engineering publications. Report B, 57
Abstract
In the current optical networks nonlinear interaction of optical signals with matter is often a nuisance in the operation of amplifiers, optical fibers and other linear devices. The next generation optical networks, on the other hand, need nonlinear optical components with signal processing capabilities. To create components that meet the demands of tomorrow, it is necessary to understand, control, exploit and enhance the available weak nonlinearities. In this thesis the dynamic properties of quantum dot lasers and linear optical amplifiers are investigated. Additionally, optical memories and logic ports exploiting a new type of nonlinearity based on gain clamped optical amplifiers and interferometers are proposed. The properties of quantum dot lasers are studied by using a parametrized model for the bandstructure of the dots and the surrounding layers. The model is used to calculate the absorption spectrum, refractive index and other properties of the lasers at different excitation levels. The properties of linear optical amplifiers, conventional gain clamped amplifiers and semiconductor optical amplifiers are described by a stochastic traveling wave rate equation model. The gain clamped optical amplifiers used together with interferometers are shown to provide a new fast nonlinearity, which can be used to construct coherent nonlinear optical circuits, including optical regenerators, flip-flop memories and logic gates. The speed of the nonlinear devices presented in this thesis is limited by the modulation response of the gain clamped optical amplifiers above the laser threshold in the regime where there always is a large photon population in the laser mode. The speed may therefore reach values in excess of 100 GHz, or even higher values if the level of optical technologies evolves closer to the level of silicon technology. In principle the flip-flop structure developed in this thesis is suitable for integration.

Optisten signaalien epälineaarinen vuorovaikutus väliaineen kanssa on usein ongelmallista optisten kuitujen, vahvistimien ja monien muiden optisten verkkojen komponenttien kannalta. Toisaalta seuraavan sukupolven optisissa verkoissa tarvitaan epälineaarisia signaalin käsittelyyn kykeneviä optisia komponentteja. Tulevaisuudessa tarvittavien komponenttien valmistamiseksi on tarpeen ymmärtää, hallita ja hyödyntää komponenteissa käytettyjen materiaalien heikkoja epälineaarisuuksia. Tässä väitöskirjassa on tutkittu kvanttipistelasereiden ja lineaaristen optisten vahvistimien dynamiikkaa. Lisäksi on kehitetty ja mallinnettu uudentyyppisiä optisia muisteja sekä logiikkaportteja, joiden toiminta perustuu vahvistuslukittujen optisten vahvistimien ja interferometrien epälineaarisiin ominaisuuksiin. Kvanttipistelasereiden ominaisuuksia on tutkittu käyttämällä parametrisoitua vyörakennemallia, jossa on huomioitu kvanttipisteiden lisäksi myös ympäröivät materiaalikerrokset. Vyörakennemallia käyttäen on laskettu kvanttipistelaserin absorptio- ja taitekerroinspektri sekä laserin muita ominaisuuksia erilaisilla varauksenkuljettajien injektiotasoilla. Lineaaristen optisten vahvistimien, perinteisten vahvistuslukittujen vahvistimien ja optisten puolijohdevahvistimien ominaisuuksia on kuvattu stokastisella etenevän aallon rate-yhtälömallilla. Koherenttien vahvistuslukittujen optisten vahvistimien käyttö yhdessä interferometrien kanssa mahdollistaa uudenlaisen nopean epälineaarisuuden, jonka avulla voidaan toteuttaa optisia piirejä kuten optisia regeneraattoreita, flip-flop muisteja ja logiikkaportteja. Väitöskirjassa kuvattujen epälineaaristen piirien nopeutta rajoittaa optisten vahvistuslukittujen vahvistimien modulaationopeus laserointikynnyksen yläpuolella alueella, jossa laseroivassa moodissa on jatkuvasti suuri fotonipopulaatio. Siitä johtuen epälineaarisuus voi toimia yli 100 GHz nopeudella, tai jopa nopeammin optisen teknologian tason kehittyessä lähemmäs piiteknologian tasoa. Väitöskirjassa kehitetyt komponentit soveltuvat periaatteessa integroitaviksi.
Description
Keywords
semiconductor lasers and amplifiers, optical memories, nonlinear optical components, puolijohdelaserit ja -vahvistimet, optiset muistit, epälineaariset optiset komponentit
Parts
  • J. Oksanen and J. Tulkki, Linewidth enhancement factor and chirp in quantum dot lasers, Journal of Applied Physics 94, pp. 1983-1989 (2003). [article1.pdf] © 2003 American Institute of Physics. By permission.
  • J. Oksanen and J. Tulkki, On crosstalk and noise in an optical amplifier with gain clamping by vertical laser field, Journal of Lightwave Technology 21, pp. 1914-1919 (2003). [article2.pdf] © 2003 IEEE. By permission.
  • J. Oksanen and J. Tulkki, Fast 2R regeneration by coherent laser amplifiers, IEEE Journal of Quantum Electronics 41, pp. 1075-1082 (2005). [article3.pdf] © 2005 IEEE. By permission.
  • J. Oksanen and J. Tulkki, Fast coherent all-optical flip-flop memory, Applied Physics Letters 88, pp. 181118-1-181118-3 (2006). [article4.pdf] © 2006 American Institute of Physics. By permission.
  • J. Oksanen and J. Tulkki, Fast all-optical flip-flop memory exploiting the electric field nonlinearity of coherent laser amplifiers, IEEE Journal of Quantum Electronics 42, pp. 509-516 (2006). [article5.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
  • J. Oksanen and J. Tulkki, Coherent optical logic by laser amplifiers with feedback, Journal of Lightwave Technology 24 (2006), accepted for publication. [article6.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-008693