Niet-lineair gedrag in een halfgeleider optische versterker en laser diode gebaseerd terugkoppelingsschema

Niet-lineair gedrag in een halfgeleider optische versterker en laser diode gebaseerd terugkoppelingsschema Wouter D Oosterlinck Promotor: Prof. G. Morthier Photonics Research Group http://photonics.intec.ugent.be

Overzicht van de presentatie Reden van het onderzoek Doel van dit werk Resultaten Besluit

Telecommunicatie Telecommunicatie is het overbrengen van informatie van de ene plek naar een andere zonder dat iets of iemand zich fysiek daar naartoe verplaatst

Telecommunicatie: geschiedenis 1876 1837 1866 1969

Telecommunicatie: evolutie 1876: eerste telefoon 1900: 1 miljoen telefoons Nu : 4 miljard telefoons Met steeds meer functies 1969: eerste netwerk ARPANET 1991: World Wide Web (WWW) Nu: 1.2 miljard gebruikers

0 of 1? Informatie wordt meestal digitaal verzonden 0 of 1 (cf. Morse code, lang of kort) 0 1 0 0 1 1 0 1 0 Snelheid (bandbreedte) wordt weergegeven in #bits/seconde Geheugen: byte (=8bits)

Bandbreedte GSM: 10kb/s-25kb/s Coax kabel: 750Mb/s Youtube: 350kb/s Digitale televisie: 4-15Mb/s 1kb/s= 1000 bits per seconde 1Mb/s= 1 miljoen bits per seconde 1Tb/s= 1000 miljard bits per seconde Optische vezel: tot 1 Tbit/s en meer

Optische vezel of glasvezel Laser Detector WDM: Wavelength division multiplexing Bv: 160 kanalen (kleurtjes) aan 10 Gbit/s 1.6 Tbit/s

Licht en golflengte golflengte (meter) frequentie (Hertz) energie (ev) λ 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 kosm. straling γ -straling röntgen (X-rays) ultraviolet infrarood 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 10 6 10 4 10 2 1 10-2 zichtbaar licht: 380-760 nm violet blauw groen geel oranje rood golflengte (nm) 400 500 600 700 10-2 radar 10 10 10-4 1300 1 TV - radio 10 8 10-6 1550 licht voor telecommunicatie

Telecommunicatie netwerk Bob Telefoon Coax / optische kabel / Coax vezel LAN Toegangsnetwerk/ MAN Peter Bob Peter Optische vezel Ruggegraat netwerk Bv. Onderzeese verbindingen

Telecommunicatie netwerk

Telecommunicatie netwerk Optische vezel

Telecommunicatie netwerk Data Hoofding

Optisch of elektrisch? Elektrisch optisch (E0) 01110010101. 01110010101. Optisch elektrisch (0E)

Routering Optisch elektrisch optisch A Beter: volledig optisch eenvoudiger sneller goedkoper C B

Volledig optische netwerken Alles moet optisch gebeuren: geen OEO omzettingen meer Regeneratie Golflengte omzetting Geheugen element Versterking Adres herkenning

Regeneratie Oorzaken van kwaliteitsverlies verzwakking overspraak = verschillende signalen beïnvloeden elkaar ruis dispersie = verschillende snelheid voor verschillende golflengtes of frequentiecomponenten

Geheugenelement 2 paketten arriveren tegelijk 1 pakket tijdelijk opslaan Vertragingslijn Flip-flop

Golflengte omzetting Elke optische vezel = verschillende golflengtes Golflengte omzetting Verschillende (golflengte) paden tussen 2 punten

A 10101011 X 10101111 C 00101111 Z Routering X Passief: Op basis van de golflengte (kleur) Actief: Op basis van de hoofding Z C 00101111 B

Dit werk Niet-lineair gedrag in een halfgeleider optische versterker en laser diode gebaseerd terugkoppelingsschema Met als doel Volledig optisch geheugen element Volledig optische regenerator en golflengteomzetter

Niet-lineariteit IN Component UIT UIT Stap overgang Bruikbaar voor regeneratie IN

Niet-lineariteit IN Component UIT Bistabiliteit UIT 2 mogelijke toestanden voor 1 ingangstoestand Uitgang afhankelijk van de voorgeschiedenis IN

Halfgeleider optische versterker IN HOV of SOA UIT Zowel een lineair als een niet-lineair werkingsgebied UIT WINST IN IN

Laser diode STROOM IN Laser diode UIT UIT UIT STROOM IN

Terugkoppeling Een gevolg dat terug inwerkt op zijn oorzaak IN UIT Terugkoppeling Bv. Microfoon die te dicht bij de luidsprekers staat

Overzicht van de presentatie Reden van het onderzoek Doel van dit werk Resultaten Volledig optische flip-flop Volledig optische regenerator en golflengte omzetter Besluit

Volledig optische flip-flop 1 bit geheugen: bewaren van 0 of 1 Optische set en reset signalen RESET SET Flip-flop UIT Specificaties: lage set en reset puls energie (kleine pulsen) korte pulsduur hoog contrast in de uitgang tussen 0 en 1 toestand snelle overgangen tussen de twee toestanden flexibel en robuust

Volledig optische flip-flop P uit = P las (of = P in,versterkt ) Laser diode UIT Koppelaar IN 2 HOV of SOA P in UIT WINST IN IN

Volledig optische flip-flops

Volledig optische flip-flop 1X4- koppelaar Laser diodes HOV

Bistabiele werking Uitgangsvermogen Signal Output Power signaal (dbm) Laser Output Power (dbm) Uitgangsvermogen laser (dbm) 10 5 0-5 -6-4 -2 0 2 4 6 0-5 -10-15 -20-25 -30 Ingangsvermogen Input Power (dbm) -35-6 -4-2 0 2 4 6 Ingangsvermogen Input Power (dbm) P uit = P las (of = P in,versterkt ) Koppelaar P in 0 dbm = 1mW + 3dB = X 2 + 6dB = X 4 Laser diode HOV of SOA

Flip-flop werking Set puls Laser vermogen (mw) P uit = P las (of = P in,versterkt ) Laser diode Tijd (ns) Koppelaar Signaal vermogen (mw) P in HOV of SOA Tijd (ns) Reset puls

Flip-flop werking set pulse reset pulse p Vermogen o w e r (a.u.) CW ingangsvermogen: 1mW Vermogen (mw) 0 5 10 15 20 time (ns) Puls lengte : 100ps Set puls energie : 340fJ Reset puls energie : 240fJ Vermogen (mw) Tijd (ns) ER > 12dB (laser) ~1/16 ER > 8dB (signaal) ~ 1/8 Tijd (ns)

Schakel energieën Set Set puls pulse energie energy (pj) (pj) 7 6 5 4 3 2 1 P in =0.95mW P in =1.19mW P in =1.5mW Reset pulse energie energy (pj) (pj) 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 P in =0.95mW P in =1.19mW P in =1.5mW 0 100 150 200 250 300 350 400 Pulse lengte length (ps) 0.1 100 150 200 250 300 350 400 Pulse lengte length (ps) (ps)

1.25GHz operatie: Dynamische respons Vermogen (mw) Laser Laser output vermogen power (dbm) (mw) 2 0-2 -4-6 -8-10 -12-14 -16-4 -2 0 2 4 6 8 Input power (dbm) Ingangsvermogen (dbm) Tijd (ns) 3mW CW ingangsvermogen 50ps pulsen Set puls energie: 1pJ Reset puls energie: 1.3pJ

Golflengte afhankelijkheid Uitgangsvermogen signaal (dbm) Uitgangsvermogen laser (dbm) Ingangsvermogen (dbm) Ingangsvermogen (dbm)

CW input: 2.5mW Puls lengte: 100ps 1547nm Set energie: 1.2pJ Reset energie: 0.85pJ Golflengte afhankelijkheid Vermogen (mw) Vermogen (mw) Tijd (ns) Tijd (ns) 1557nm Set energie: 1.45pJ Reset energie: 0.6pJ Vermogen (mw) Vermogen (mw) Tijd (ns) Signaal Tijd (ns) Laser

Volledig optische flip-flop Lage set en reset puls energie (kleine pulsen) sub-pj energieën (tot 240fJ) Korte pulsduur 50-400ps pulsen Hoog contrast in de uitgang tussen 0 en 1 toestand >12dB laser, >8dB signaal Snelle overgangen tussen de twee toestanden Schakeltijden rond 100ps, 1.25GHz schakelfrequentie Flexibel en robuust Golflengtebereik > 10nm, ingangsvermogen variaties,

Overzicht van de presentatie Reden van het onderzoek Doel van dit werk Resultaten Volledig optische flip-flop Volledig optische regenerator en golflengte omzetter Besluit

Regenerator en golflengte omzetter IN Component UIT UIT UIT IN IN Specificaties: ER verbetering (ER = verhouding tussen 0 en 1 ) BER verbetering (BER = fout frequentie) Hoge snelheid

Oogdiagram Bitstroom 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 Oogdiagram Decisieniveau Decisiemoment Geeft een kwalitatieve indicatie van de signaalkwaliteit: hoe kleiner het oog, hoe moeilijker de detectie

BER BER = Bit Error Rate = frequentie waarmee een fout optreedt Verzonden 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 Ontvangen 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 BER = (1 foute bit) / 16 bits Telecom: aanvaardbare BER = 10-9 = 1 foute bit per miljard bits bij een datasnelheid van 10Gbit/s is dat 10 fouten per seconde

Regeneratie: statisch -5 Uitgangsvermogen (dbm) Output Power (dbm) -10-15 -20-25 3.5 db 8.5 db -30-15 -10-5 0 5 Input Power (dbm) Ingangsvermogen (dbm)

Regenerator: Dynamisch Input ER: 3.4dB Output ER: 10.3dB 1.28mW 0.12mW 0mW 10 0 Zonder component Na de component BER 10-5 10-10 ER verbetering van 6.9dB Geen duidelijke BER verbetering 10-15 -26-24 -22-20 -18-16 -14 Ontvangen vermogen (dbm)

Golflengte omzetter Uitgangsvermogen (dbm) Output power (dbm) 10 0-10 -20-30 -40-15 -10-5 0 5 10 Input power (dbm) Ingangsvermogen (dbm) Van 1552nm naar 1540nm

Golflengte omzetter aan 2.5Gbit/s Input ER: 6.9dB Output ER: 18.5dB 3.3mW 2.8mW 0.8mW 0.08mW 10 0 Zonder component Na de component ER verbetering van 11.6dB BER 10-5 BER verbetering van 3dB 10-10 -30-25 -20-15 -10 Ontvangen vermogen (dbm)

Regenerator en golflengte omzetter ER verbetering (ER = verhouding tussen 0 en 1 ) 7 en 11dB ER verbetering BER verbetering (BER = fout frequentie) 3dB verbetering voor de golflengte omzetter Hoge snelheid 2.5 en 10Gbit/s

Besluit Er werd een volledig optische flip-flop gedemonstreerd en beschreven die bruikbaar is als een 1-bit geheugen. Lage schakel energie Snel Flexibel en robuust Dezelfde component is bruikbaar als regenerator en golflengte omzetter. ER verbetering Hoge snelheid

Merci Bedankt voor de aandacht

Receptie-tijd Tip 1: volg de collega s Tip 2: laat ze niet alleen aan de hapjes