Advanced Functionalities for Highly Reliable Optical Networks

Abstract

Denne afhandling behandler to felter indenfor optiske løsninger til netværk i f.eks. luftfartøjer. Det ene felt er fokuseret på at afdække hvilke applikationer der med fordel kan benytte silicium fotoniske komponenter til kost effektive løsninger i netværk med lille rækkevidde. Det andet felt fokuserer på at implementere avancerede løsninger som vil kunne højne driftssikkerheden og dermed brugbarheden af optiske netværk.En kost effektiv sender baseret på en direkte moduleret laser (DML) kombineret med en silicium mikrorings resonator (MRR) er foreslået, analyseret samt eksperimentelt testet. En forbedring af modulationshastigheden fra 10 Gbit/s til 40 Gbit/s for en direkte moduleret distributed feed-back (DFB) laser blev opnået ved hjælp af det foreslåede princip. Forbedring i modulationshastigheden blev også opnået i verticalcavity surface-emitting lasers (VCSELs). Kaskadekoblede silicium MRRer blev desuden eksperimentelt evalueret for deres brugbarhed i kontekst af optiske interconnects samt chip integrerede netværk.Et nyt koncept til fuldstændig optisk beskyttelses kredsløb er foreslået og er baseret på fejl-detektion og kredsløbs skift for beskyttelse udelukkende implementeret i det optiske domæne. Princippet danner en beskyttelses rute ultra-hurtigt hvilket resulterer i et minimum tab af data. Dette er eksperimentelt demonstreret ved benyttelse af en bi-stabil moduleret gitter Y-formet (MG-Y) laser struktur. Den opnåede skifte-tid er mindre end 200 ps og signal kvaliteten af det kredsløbs skiftede signal er høj, både for 10 og 40 Gbit/s. Den optisk kontrollerede bi-stabile operation af MG-Y laseren har et stort bølgelængde operations område hvilket er eksperimentelt demonstreret i denne afhandling. Yderlig en beskyttelses teknik baseret på netværks kodning er introduceret. Netværks kodning baseret på ren optisk modulation af fase modulerede signaler (f.eks. differentiel fase skiftet kode (DPSK)) ved at benytte to eksklusive OR (XOR) kredsløb implementeret vha. firbølge blanding (FWM) i en halvleder optisk forstærker (SOA) er eksperimentelt eftervist og særdeles lav (~ 1 dB) forværring af den samlede operations ydeevne er opnået.This thesis covers two research topics concerning optical solutions for networks e.g. avionic systems. One is to identify the applications for silicon photonic devices for cost-effective solutions in short-range optical networks. The other one is to realise advanced functionalities in order to increase the availability of highly reliable optical networks.A cost-effective transmitter based on a directly modulated laser (DML) using a silicon micro-ring resonator (MRR) to enhance its modulation speed is proposed, analysed and experimentally demonstrated. A modulation speed enhancement from 10 Gbit/s to 40 Gbit/s in a directly modulated distributed feed-back (DFB) laser diode is achieved by using the proposed scheme. Enhancement is also achieved in vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). The cascadability of silicon MRRs is experimentally assessed as well for their applications in optical interconnects and network-on-chips.A novel concept of all-optical protection switching scheme is proposed, where fault detection and protection trigger are all implemented in the optical domain. This scheme can provide ultra-fast establishment of the protection path resulting in a minimum loss of data. It is experimentally demonstrated by using a bistable modulated grating Y-branch (MG-Y) laser structure. The achieved protection switching time is less than 200 ps and the signal switched by the fast establishment of the protection path has good quality at both 10 Gbit/s and 40 Gbit/s. The optically controlled bistable operation of the MG-Y laser with wide wavelength tunable range is also experimentally demonstrated within this thesis. Another protection method using network coding is also introduced. All-optical network coding for phase modulated signals (e.g. differential phase shift keying (DPSK) signals) using two exclusive OR (XOR) gates realised by four-wave mixing (FWM) in semiconductor optical amplifiers (SOAs) is experimentally demonstrated and very low (~ 1 dB) total operation penalty is achieved