Microring resonator design with application to performance improvement of optically and electrically modulated semiconductor optical amplifier
Authors: Ρίζου Ζωή 
Published: September 2021

Τα τελευταία χρόνια έχει εκδηλωθεί έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον σχετικά με τη χρήση οπτικών ενισχυτών ημιαγωγού (Semiconductor Optical Amplifiers-SOAs) για σκοπούς ενίσχυσης και διαμόρφωσης σήματος πληροφορίας σε συστήματα και δίκτυα οπτικών επικοινωνιών. Στην οπτική διαμόρφωση, οι SOAs χρησιμοποιούνται ως κύριοι ενισχυτές (booster amplifiers), ως ενισχυτές γραμμής (in-line amplifiers) και ως προενισχυτές (pre-amplifiers). Ωστόσο, οι εφαρμογές αυτές περιορίζονται από τον πεπερασμένο χρόνο ανάκαμψης των φορέων των SOA και κατά συνέπεια τον ακανόνιστο κορεσμό του κέρδους τους που προκαλεί το φαινόμενο σχηματομορφής (pattern effect), εξαιτίας του οποίου τα εισερχόμενα δεδομένα υφίστανται παραμόρφωση σε μη επιτρεπτό βαθμό. Στην ηλεκτρική διαμόρφωση, οι SOAs χρησιμοποιούνται ως διαμορφωτές έντασης μέσω της απευθείας διαμόρφωσης του ρεύματός τους. Ωστόσο, το ηλεκτρικό εύρος ζώνης διαμόρφωσης ενός συμβατικού SOA δεν ξεπερνά τα 2.5 GHz εξαιτίας του πεπερασμένου χρόνου ζωής των φορέων του και ως εκ τούτου δεν μπορεί να υποστηρίξει ανώτερους ρυθμούς δεδομένων σε αυτές τις εφαρμογές. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού και στους δύο τρόπους λειτουργίας ενός SOA, η εκπονηθείσα διατριβή πρότεινε, διερεύνησε και κατέδειξε ως ενδεδειγμένη λύση την υιοθέτηση συντονιστή μικροδακτυλίου (Micro Ring Resonator-MRR) μονής αρτηρίας κυματοδήγησης (single bus waveguide) ως οπτικού φίλτρου εγκοπής (notch filter). Αφού προσδιoρίστηκαν οι απαραίτητες συνθήκες που πρέπει να ικανοποιούνται ώστε το MRR να δρα ως φίλτρο εγκοπής, τέθηκαν τεχνολογικά εφικτά κριτήρια σχεδιασμού του MRR αναφορικά με την ακτίνα του και εφαρμόστηκαν για τη σημαντική βελτίωση της εξαρτώμενης από την σχηματομορφή απόδοσης του SOA καθώς και των χαρακτηριστικών ποιότητας του ενισχυμένου ή του διαμορφωμένου σήματος. Στη συνέχεια, μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων, αποδείχθηκε για πρώτη φορά ότι η χρήση ενός παθητικού μονού συντονιστή μικροδακτυλίου επιτρέπει την απευθείας διαμόρφωση ενός συμβατικού οπτικού ενισχυτή ημιαγωγού σε ρυθμό δεδομένων 10 Gb/s, ο οποίος αντιστοιχεί σε τετραπλασιασμό της ταχύτητας στην οποία είναι δυνατή η απευθείας διαμόρφωση ενός SOA λόγω του πεπερασμένου χρόνο ζωής των φορέων του. Παράλληλα, διεξήχθη ανάλυση ασθενούς σήματος, η οποία για πρώτη φορά συσχέτισε τις διαταραχές ισχύος του διαμορφωμένου σήματος στην έξοδο του SOA με αυτές στην έξοδο του MRR, επιβεβαιώνοντας την διεύρυνση του ηλεκτρικού εύρους ζώνης του συνδυασμού SOA-MRR. Ακολούθως, έγινε ενδελεχής σύγκριση του MRR με το οπτικό συμβολόμετρο καθυστέρησης (Optical Delay Interferometer-ODI), το οποίο αποτελεί μία διαδεδομένη εναλλακτική αρχιτεκτονική υλοποίησης φίλτρου εγκοπής. Για τον σκοπό αυτό, διατυπώθηκε και εφαρμόστηκε μία λογική διαδικασία ισοδύναμης σύγκρισης βασισμένης στη κλίση της φασματικής απόκρισης κάθε φίλτρου σε συνάρτηση με τον μηχανισμό καταστολής του φαινομένου σχηματομορφής του SOA σε λειτουργία γραμμικής ενίσχυσης. Η ποσοτική σύγκριση που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας αυτή τη μεθοδολογία οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το MRR επιτυγχάνει καλύτερη απόδοση από το ODI για την πλειονότητα των καθορισμένων μετρικών, γεγονός που σε συνδυασμό με τα εγγενή πλεονεκτήματα του MRR μπορεί να καταστήσει το τελευταίο προτιμητέο έναντι των συμβατικών επιλογών που είναι διαθέσιμες για τον ίδιο σκοπό. Τέλος, κατεδείχθη για πρώτη φορά η δυνατότητα χρήσης ενός μονού συντονιστή μικροδακτυλίου ως οπτικού φίλτρου εγκοπής ώστε να επιτρέπεται η απευθείας διαμόρφωση ενός οπτικού ενισχυτή ημιαγωγού ανακλαστικής όψης (Reflective Semiconductor Optical Amplifier-RSOA) κατά πλέον τριπλάσιο ρυθμό δεδομένων από αυτόν που είναι εφικτός με έναν RSOA μόνο του. Μέσω της ανάλυσης ασθενούς σήματος εξήχθη η αναλυτική έκφραση για την απόκριση διαμόρφωσης ενός RSOA όταν αυτός οδηγείται από ρεύμα διαμόρφωσης ψηφιακής κωδικοποίησης και τετραγωνικής κυματομορφής, πράγμα που δεν είχε ξαναγίνει για τέτοια πρακτική περίπτωση. Ο συνδυασμός της με αυτή ενός MRR κατάλληλης ακτίνας και κατάλληλου αποσυντονισμού έδειξε ότι χάρη στο MRR το πεπερασμένο εύρος ζώνης διαμόρφωσης του RSOA μπορεί να επεκταθεί σε βαθμό που η απόδοση του RSOA δεν περιορίζεται από το φαινόμενο σχηματομορφής. Επιπλέον, υπολογίστηκε με τη χρήση αναλυτικής έκφρασης η στιγμιαία απόκλιση συχνότητας (chirp) στην έξοδο του MRR, επιτρέποντας έτσι τον ακριβή υπολογισμό του μεγέθους αυτού, του οποίου η αντιστάθμιση είναι κρίσιμη για την αποκατάσταση της ποιότητας των κωδικοποιημένων παλμών. Αυτό μέχρι πρότινος δεν ήταν δυνατό λόγω της απότομης μεταβολής της απόκρισης φάσης, ο ρυθμός μεταβολής της οποίας ορίζει το chirp, γύρω από το σημείο συντονισμού του MRR που ταυτίζεται με την εγκοπή της φασματικής του απόκρισης.