Dynamische aspecten van geavanceerde multi-sectie afstembare halfgeleiderlasers Bart Moeyersoon 28 juni 2005

Dynamische aspecten van geavanceerde multi-sectie afstembare halfgeleiderlasers Bart Moeyersoon 28 juni 2005 Photonics Research Group http://photonics.intec.ugent.be

zeer moderne wijzigbare golflengte Dynamische aspecten o.a. schakelen van de golflengte van geavanceerde multi-sectie afstembare halfgeleiderlasers materialen met gunstige chemische en fysische eigenschappen meerdere delen lichtbron - materiaalbewerking - CD/DVD - transport van gegevens: optische telecommunicatie

Overzicht van de presentatie Waar - wat - waarom Optische telecommunicatie Lichtbronnen voor telecommunicatie Afstembare halfgeleiderlasers Uitdagingen: wat moest er nog gebeuren... Degradatie van de laser opvangen Snel schakelen van de golflengte Invloed optische versterker op het gedrag van de laser en hebben we ook gerealiseerd!

Overzicht van de presentatie Waar - wat - waarom Optische telecommunicatie Lichtbronnen voor telecommunicatie Afstembare halfgeleiderlasers Uitdagingen - wat moest er nog gebeuren Degradatie van de laser opvangen Snel schakelen van de golflengte Invloed optische versterker op het gedrag van de laser en hebben we ook gerealiseerd!

Licht Licht: - elektromagnetische straling = trilling die zich voortplant met de lichtsnelheid c - trillingsfrequentie f - golflengte = afstand afgelegd tijdens 1 trillingsperiode golflengte

Elektromagnetische straling golflengte (meter) frequentie (Hertz) 1nm = 10-9 m = 1 miljardste meter 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 kosmische straling - straling röntgen (X-stralen) ultraviolet infrarood 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 Zichtbaar licht: 380-760 nm violet blauw groen geel orange rood golflengte (nm) 400 500 600 700 10-2 Radar 10 10 1300 1 TV - radio 10 8 1550 Licht voor optische vezel communicatie

Optische telecommunicatie Overbrengen van informatie d.m.v. lichtsignalen In Zender: deze vorm: je kan slechts Kanaal een beperkte (vrije ruimte) hoeveelheid Ontvanger informatie versturen gecodeerde over informatie een beperkte afstand - Morse: lang - kort - binair: aan - uit (1-0) Bruikbaar systeem? Breedband internet: 4 Mbps capaciteit = 4 miljoen bits (1 of 0) per seconde 4 miljoen keer per seconde zaklamp aan en uit?

Optische telecommunicatie Beter systeem: I I P P Zender: telecomlaser elektrisch signaal I optisch signaal P Kanaal: optische vezel Ontvanger: fotodetector optisch signaal P elektrisch signaal I Capaciteit: 40 Gbps = 40.000 miljoen bits/s = 10.000 BB connecties Capaciteit: 50 Tbps = 50.000 miljard bits/s = 1.200 x 40 Gbps

Optische telecommunicatie Capaciteit optische vezel volledig benutten: N lasers 1 k 1 1 2 k 2 2...... k 1 N k 2... 1 2 N ontvangers N k N N golflengtekanalen over k N N 1 optische vezel... 1 2 3 N meerdere lasersignalen tegelijk door zelfde vezel sturen elk signaal op een andere golflengte (= een andere kleur) constante (golflengte-)spatiëring tussen de kanalen WDM-technologie ( Wavelength Division Multiplexing ) Vgl. netwerk kabel-tv (TV-kanalen golflengtes)

Optische vezel Principe optische vezel: John Tyndall in 1854 Vat met water wordt van binnenuit verlicht Waterstraal die uit het vat stroomt, geleidt ook het licht uit dat vat: het licht gaat niet rechtdoor, maar volgt de waterstraal Elk transparant object kan licht geleiden, ook al is het gebogen

Optische vezel Eigenschappen: - heel laag verlies voor licht met golflengte rond 1550 nm vgl. coaxiale-kabel: 1000 keer meer verlies - zeer grote gegevenscapaciteit: 50.000 miljard bits/s - signalen bewegen zich voort aan lichtsnelheid (300.000 km/s) snelle transmissie van enorm veel gegevens over heel grote afstanden mogelijk

Lichtbronnen voor telecommunicatie Vereisten: - optisch uitgangsvermogen P = 10-20 mw (pointer: 1 mw) - golflengte rond 1550 nm (verlies optische vezel minimaal) - zeer stabiele golflengte Om een bepaald kanaal uit het netwerk te selecteren worden kanaalfilters (kleurfilters) gebruikt 1 2 3

Lichtbronnen voor telecommunicatie Vereisten: - optisch uitgangsvermogen P = 10-20 mw (pointer: 1 mw) - golflengte rond 1550 nm - zeer stabiele golflengte Zoniet: de golflengtekanalen komen te dicht bij elkaar overspraak = ene kanaal stoort het andere 1 2 3

Lichtbronnen voor telecommunicatie Overspraak: stel 2 VTM en 3 één 1 2 3 VTM één

Lichtbronnen voor telecommunicatie Vereisten: - goede ruiseigenschappen: zo weinig mogelijk ruis in lasersignaal Veel ruis in ontvangen signaal: meer kans op foute detectie ontvangen gereconstrueerd 0 1 0 0 1 X1 1 0 decisieniveau

Lichtbronnen voor telecommunicatie Ruiseigenschappen - relevante laserparameters: RIN (Relative Intensity Noise): ruis op de intensiteit lijnbreedte : ruis op de frequentie laserlijn is niet oneindig smal lasersignaal Voorstelling van het lasersignaal in functie van de golflengte = het laserspectrum k Hoe kleiner de lijnbreedte, hoe beter: breder spectrum kortere maximale transmissieafstand

Laserwerking In halfgeleidermateriaal wordt stroom I omgezet naar licht golflengte bepaald door de winst G van het halfgeleidermateriaal I G lasercaviteit - L 1.55 m Het licht loopt heen en weer tussen reflecterende facetten golflengte ook bepaald door de fasevoorwaarde : m =2nL/m G laserspectrum golflengte moet in de lasercaviteit met lengte L passen 1.55 m caviteitsmodes m

Multi-modale lasers hoofdmode zijmodes hoofdmode zijmodes Fabry-Perot laser multi-modaal mono-modaal lage zijmodeonderdrukking of lage SMSR (Side Mode Suppression Ratio) = vermogen hoofdmode/vermogen sterkste zijmode vermogen verdeeld over verschillende modes toevalsproces extra ruis breed spectrum veel dispersie voor optische communicatie over lange afstand: lasers met hoge SMSR - mono-modale lasers

Mono-modale lasers zijmodes onderdrukken door extra selectief element (een filter) in de lasercaviteit te brengen G DFB laser mono-modaal caviteitsmodes momenteel meest gebruikte laser in optische netwerken voldoet aan alle eisen (P, -stabiliteit, lage ruis, hoge SMSR) MAAR: vaste golflengte, slechts heel beperkt afstembaar

Afstembare halfgeleiderlasers licht uitzenden op verschillende golflengtes even goede eigenschappen als DFB lasers I r I a spectrum reflector sectie actieve sectie P 1 2 selectief element in aparte sectie naast actieve sectie positie filter is afhankelijk van I r lasergolflengte kan veranderd worden door I r te veranderen

Afstembare halfgeleiderlasers I r I f I a reflector sectie fase sectie actieve sectie P afstemsecties - passieve secties elektronisch afstemmen van de golflengte Praktijk: - meerdere afstemsecties voor betere afstemming b.v. fase sectie om positie caviteitsmodes te veranderen - steeds hetzelfde principe

Afstembare halfgeleiderlasers Afstemkarakteristiek = relatie golflengte-afstemstromen 1.541 1.541 1.540 Ip = 4 ma Ip = 6 ma Ip = 8 ma I r m 1.540 1.539 1.539 1.538 1.538 1.537 I f 1.537 1.536 5 10 15 20 25 30 I r (ma) Midden plateau s: caviteitsmode gealigneerd met filterpiek I r I f Golflengtesprongen: andere caviteitsmode wordt laser mode

Afstembare halfgeleiderlasers 1.541 1.541 1.540 1.540 Ip = 4 ma Ip = 6 ma Ip = 8 ma I r I f m 1.539 1.539 1.538 1.538 1.537 1.537 I r 1.536 5 10 15 20 25 30 I r (ma) I f Golflengtesprongen: andere caviteitsmode wordt laser mode

Voordelen afstembare lasers Vaste golflengte lasers (DFB s) reserve 1 2 1 k 1 1 2 k 2 2... N k 1 k 2 1 2...... N N k N k N N N DFB s N types DFB s Afstembare lasers (AL) reserve... k 1 k 2 1 2... k 1 N k 2... 1 2 k N k N N 1 AL 1 type AL slechts 1 type laser nodig minder lasers nodig

Voordelen afstembare lasers Telecommunicatienetwerk: meerdere knooppunten verbonden via optische vezels New York onderzeese kabel Berlijn Washington Brussel Miami 1 k 1 1 2 k 2 2... N k 1 k 2 1 2 Knooppunten: N... k N kruispunten waar data op juiste weg worden doorgestuurd k N... N

Voordelen afstembare lasers k 1 k 2 1 2... N...... k N O-E-O... Momenteel: verwerking in knooppunten elektronisch omzetting optisch elektrisch en terug = omslachtig en traag In de toekomst: optisch schakelen = efficiënter en flexibeler Hiervoor moet de golflengte heel snel kunnen veranderd worden (50 ns = 50 miljardste seconden)

Optische vezel + halfgeleider laser: enorme gegevenscapaciteit WDM: meerdere golflengtes over zelfde vezel Lichtbronnen voor telecommunicatie: strenge vereisten Afstembare lasers + voordelen : kleiner aantal lasers nodig (= besparing) efficiënter en flexibeler netwerk Belangrijkste uitdagingen doel van dit werk: 1. ook bij degradatie van de laser moet aan de vereisten voldaan worden 2. snel schakelen tussen golflengtes 3. invloed optische versterker op laserkarakteristieken

Degradatie Commerciële afstembare laser volledig gekarakteriseerd door fabrikant gebruiker moet stromen niet zelf instellen, hij moet enkel een kanaal kiezen voorzien van een elektronisch controlesysteem - stelt de juiste stromen in voor het gekozen kanaal - houdt de golflengte en de SMSR op de juiste waarde verpakte laser Onmisbaar voor de juiste werking: de afstemtabel - bevat voor elke golflengte de juiste stroomwaarden volledige module prijs: enkele 1000 euro - door de fabrikant meegeleverd in het geheugen van het controlesysteem - is het resultaat van een moeilijke karakterisatie

Degradatie Degradatie verandering afstemkarakteristieken 1.5525 1.5520 1.5515 Voor degradatie Na degradatie m 1.5510 1.5505 1.5500 1.5495 1.5490 nieuw kanaal 1.5485 1.5480 0 5 10 15 20 25 30 I n (ma) oud kanaal Dus: afstemtabel is niet langer correct! als ander kanaal gekozen wordt: verkeerde en lage SMSR afstemtabel moet geactualiseerd worden, zonder dat een volledige nieuwe karakterisatie van de laser nodig is

Actualisatie afstemtabel Procedure ontwikkeld om de afstemstomen te corrigeren, zonder de werking van de laser te moeten onderbreken en zonder een nieuwe karakterisatie te doen 1.5525 Voor degradatie 1.5520 Na degradatie 1.5515 Geactualiseerd 1.5510 m 1.5505 1.5500 1.5495 1.5490 1.5485 1.5480 0 5 10 15 20 25 30 I n (ma) De golflengtes berekend met de nieuwe stroomwaarden komen overeen met de oorspronkelijke golflengtes: hoera!

Golflengteschakelen Afstemstromen snel veranderen golflengte springt van 1 naar 2 in enkele nanoseconden MAAR: verandering stroom I verandering temperatuur T T trager dan I (b.v. gloeilamp) T beïnvloedt ook de golflengte golflengte vertoont drift: wijkt af en gaat traag naar eindwaarde (ms ipv ns: 100.000 keer trager) (pm) 20 de golflengte onaanvaardbaar 15 lang 40 35 30 10 5 0 drift na 40 ma stap - experimenteel drift na 20 ma stap - experimenteel 25 en: model Onthouden: thermische drift vertraagt schakelen van ms 50 ns tijd 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t (ms)

Golflengteschakelen Oplossing: referentie voor de laser-golflengte voorzien onafhankelijk van laser-temperatuur voor elke golflengte in netwerk gekoppeld met de laser optisch filter met periodieke reflectiekarakteristiek, gekoppeld met de laser via optische feedback reflectie FSR (Free Spectral Range) = kanaalspatiëring kamkarakteristiek 1 2 3 4...

Golflengteschakelen I r I p I a L ext voldoende P uit T ook kamkarakteristiek AR-laag lens R optisch filter P uit T stabiele terugkoppeling anti-reflectie laag L ext kort (orde cm) filterpieken = referentie winst (T-onafh.) drift m : beperkt door externe caviteit reflectiepieken filter FSR = 100 GHz Bragg piek B B = 100 GHz caviteitsmodes m

Golflengteschakelen - filter Filter met kamkarakteristiek in reflectie en transmissie bestond niet zelf maken Principe: 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 192.8 192.82 192.84 192.86 192.88 192.9 In n R T 1 1 R 2 Fabry Perot etalon T 2 R 3 T 3 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 192.8 192.82 192.84 192.86 192.88 192.9 Combinatie R 1 en volgende reflectie geeft omgekeerde kamkarakteristiek R 1 verwijderen om ook in reflectie kamkarakteristiek te krijgen

Golflengteschakelen - filter Ons ontwerp: 2 rechthoekige prisma s op elkaar gekleefd AR AR Prisma 1 R 1 HR HR Prisma 2 HR FSR = c/2nl L Geen reflectie op voorkant anti-reflectie laag (AR) R 1 mag niet terugkeren door reflectie op bovenkant anti-reflectie laag Scherpe pieken hoog-reflectieve lagen (HR) op onderste prisma

Golflengteschakelen - filter 3.2 mm gefabriceerd binnen INTEC kamkarakteristiek in reflectie en transmissie

Golflengteschakelen - filter Experimenteel bepaalde filterkarakteristieken 0.8 0.7 0.6 0.5 reflectie R, T 0.4 0.3.. 0.2 0.1 0.0 192.50 192.70 192.90 193.10 193.30 193.50 f (THz) transmissie zelf ontworpen filter gedraagt zich zoals gewenst!!!

Golflengteschakelen Koppeling laser-filter: nauwkeurigheid beter dan duizendste mm = NIET GEMAKKELIJK! filter bal-lens 3.2 mm laser laser+filter

Golflengteschakelen t 50 45 40 35 (pm) 30 25 20 15 10 zonder terugkoppeling - 61 ma stap zonder terugkoppeling -40 ma stap 5 0 met TK - 82 ma stap 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 t (ms) Het werkt!!!

Invloed optische versterker Bij veel geavanceerde telecomlasers: extra optische versterker geïntegreerd met de laser om voldoende hoog uitgangsvermogen te realiseren. De versterker genereert ruis die de laser zal beïnvloeden. dit moest nog nauwkeurig onderzocht worden

Invloed optische versterker Theoretisch model en computersimulaties: voorspellen een toename van de RIN en de lijnbreedte en een afname van de SMSR. Theorie: las RIN RIN SOA las lassoa las SMSR las SMSR las SOA A 1 1 c ln(a) (A: versterking) Dit wordt tevens bevestigd door een groot aantal experimentele gegevens. -100-102 -104-106 RIN (db/hz) -108-110 -112-114 -116-118 theoretisch (P las = 4 mw) experimenteel (P las = 4 mw) -120-28 -27-26 -25-24 -23-22 -21-20 -19 P ase (dbm)

Invloed optische versterker Theorie: las RIN RIN SOA las lassoa las SMSR las SMSR las SOA A 1 1 c ln(a) (A: versterking) 36 34 experimenteel (P las = 7.9 mw) theoretisch (P las = 7.9 mw) SMSR (db) 32 30 28 theoretisch (P las = 2.3 mw) experimenteel (P las = 2.3 mw) 26 24 22-30 -25-20 -15 P ase (dbm)

Besluit - Realisaties 1. Degradatie opgevangen actualisatieprocedure voor de afstemtabel opgesteld geen nieuwe moeilijke karakterisatie nodig werking laser niet onderbroken 2. Snel golflengteschakelen theoretisch en experimenteel onderzocht verbeterd door optische terugkoppeling via innovatief filter kamkarakteristiek in reflectie en transmissie fabricatie binnen INTEC 3. Uitgebreide karakterisatie laser + optische versterker degradatie ruiseigenschappen en SMSR aangetoond theoretisch model opgesteld en computersimulaties uitgevoerd uitgebreide experimentele gegevens (+ verificatie van de theorie)

Optische vezel Eigenschappen: - heel laag verlies: 0.1-0.2 db/km (of: 50% na 30-15 km) coaxiale-kabel: 30 db/km (1000 keer groter) - n kern enkele centiemen groter n mantel - diameter mantel = 1 honderste mm (menselijk haar: 1 tiende mm)

Optische vezel Transmissieafstand beperkt door: - verzwakking signalen bij propagatie optische versterkers na bepaalde afstand 100 km 100 km...

Optische vezel Transmissieafstand beperkt door: - dispersie: verbreding van de ontvangen pulsen bits lopen in elkaar over foute detectie 0 1 X1 1 maatregelen om de dispersie te beperken zijn nodig