Optical time domain add-drop multiplexing employing fiber nonlinearities

Het in dit proefschrift beschreven onderzoek richt zich op het ontrafelen van in het tijdsdomein gestapelde optische signalen, ook wel optical time division multiplexing (OTDM) genoemd, en de bijbehorende technologische uitdagingen. Dit werk richt zich in het bijzonder op het toevoegen en extraheren van een specifieke datastroom uit een OTDM signaal. De component die deze functie uitvoert kan worden aangeduid als een add-drop multiplexer (ADM). Deze ADMs kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën. De eerste categorie is gebaseerd op oplossingen die gebruik maken van halfgeleider materiaal en de tweede categorie benut de niet-lineariteit van een glasvezel. Een onderzochte halfgeleider materiaal ADM techniek is gebaseerd op het crossabsorption modulation (XAM) effect in een electro-absorptie modulator (EAM). Een model, gebaseerd op propagatie-vergelijkingen in halfgeleider materiaal, is ontwikkeld om de invloed van het XAM effect te kunnen simuleren. Resultaten verkregen met dit model komen goed overeen met experimenteel verkregen resultaten. Foutvrij extraheren (demultiplexen) van een 10 Gb/s datakanaal uit een 80 Gb/s OTDM signaal, met behulp van XAM in een EAM is experimenteel aangetoond. Een nieuw concept genaamd cross-polarisatie rotatie (XPR) is geïntroduceerd om het contrast ratio van de EAM demultiplexer te verbeteren. Ondanks verbetering van het contrast ratio van de demultiplexer is er geen significante verbetering van de prestatie waarneembaar. Mogelijkheden om de EAM in een 160 Gb/s demultiplexer configuratie te gebruiken zijn onderzocht. De kwaliteit van de EAM als optische schakelaar is sterk afhankelijk van het maximaal toegestane ingangsvermogen. Een hoger vermogen van het optische kloksignaal leidt tot een sterker absorptie verzadigingseffect. De snelheid van de EAM als optische schakelaar is begrensd door de hersteltijd van de vrije elektronen en gaten in de halfgeleider, gezamenlijk de carriers genoemd. Een verhoging van de negatieve biasspanning leidt tot een verkorting van de carrier hersteltijd. Een nadeel van het gebruik van een hogere biasspanning is de bijkomende hogere absorptie wat resulteert in een hoger vereist ingangsvermogen om de absorptie te verzadigen, omdat anders een verslechtering van de signaal-ruis verhouding onvermijdelijk is. Een belangrijk deel van het proefschrift richt zich op ADMs die de niet-lineariteit van een glasvezel benutten. Een van de meest veelbelovende oplossingen is gebaseerd op de nonlinear optical loop mirror (NOLM). Een geheel optische tijdsdomein ADM gebaseerd op een NOLM structuur is voor het eerst gedemonstreerd op datasnelheden boven de 80 Gb/s. Simulaties en experimenteel onderzoek zijn uitgevoerd op 160 Gb/s en 320 Gb/s. De prestatie limiterende factoren in de NOLM gebaseerde ADM zijn overspraak van naburige kanalen voor het extraheren van een kanaal en incomplete verwijdering van het geëxtraheerde kanaal voor het toevoegen van een nieuw kanaal. De jitter op het controle- en datasignaal en een niet geoptimaliseerde NOLM ingangskoppelaar verslechteren de kwaliteit van de ADM. De behaalde resultaten openen mogelijkheden om in de toekomst het systeem op te waarderen naar 640 Gb/s. De conversie van twee 10 Gb/s non-return to zero (NRZ) golflengte gestapelde kanalen (WDM) naar één 20 Gbs return-to-zero (RZ) OTDM signaal is experimenteel gekarakteriseerd. Het conversie principe is gebaseerd op four-wave mixing (FWM) in een sterk niet-lineare vezel (HNLF). Een voordeel van deze conversie techniek is dat er geen extra NRZ naar RZ conversiestap vereist is. Een tweede voordeel is de transparantie van FWM ten opzichte van de gebruikte modulatie techniek. Zo is deze techniek bijvoorbeeld ook geschikt voor fasegemoduleerde datasignalen. De beperkingen van deze conversie techniek zijn onderzocht. Conversie van 2x10 Gb/s WDM naar 20 Gb/s OTDM is experimenteel aangetoond, maar simulaties wijzen uit dat deze techniek niet geschikt is voor conversie van 4x40 Gb/s WDM naar 160 Gb/s OTDM, omdat het optische vermogen van het geconverteerde signaal erg laag is als gevolg van de lage efficiëntie van het FWM proces. Een alternatieve ADM techniek die ook bestudeerd is, is gebaseerd op cross-phase modulatie (XPM) spectrale verbreding in combinatie met filtering. Het voordeel van deze techniek is het geringere aantal benodigde componenten voor de constructie van een complete ADM in vergelijking met een ADM gebaseerd op een NOLM of een Kerr shutter. Simulaties en experimenteel werk demonstreren de mogelijkheden van deze techniek. Een geheel optische tijddomein ADM voor fasegemoduleerde signalen is voor de eerste maal aangetoond. Add-drop multiplexing van een 80 Gb/s RZ-DPSK OTDM signaal gebaseerd op de Kerr shutter met 375 meter HNLF is experimenteel gedemonstreerd. De fase-informatie in het signaal is behouden in de complete ADM. Praktische beperkingen in de experimentele set-up begrensden de datasnelheid tot 80 Gb/s. Een ADM experiment op 320 Gb/s met amplitude gemoduleerde signalen geeft een indicatie van de mogelijkheden van de Kerr shutter als ultrasnelle schakelaar.