Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5515
Main Title: InP segmented Mach-Zehnder modulators with advanced EO functionalities
Translated Title: InP segmentierte Mach-Zehnder Modulatoren mit erweiterten EO-Funktionalitäten
Author(s): Aimone, Alessandro
Advisor(s): Schell, Martin
Referee(s): Schell, Martin
Bogoni, Antonella
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Thema dieser Arbeit sind segmentierte Indium Phosphid (InP) Mach-Zehnder Modulatoren (SEMZMs). Diese elektro-optischen Komponenten werden verwendet um Digital Analog Wandler (DACs) und digitale Signalverarbeitung zu implementieren, ohne jedoch die herkömmlichen dafür vorgesehenen platzraubenden elektronischen Komponenten mit hoher Leistungsaufnahme zu verwenden. Der hier vorgeschlagene und umgesetzte Ansatz adressiert hauptsächlich die Thematik des kleineren Platz- und Leistungsbedarf. Von den zu ersetzenden Einsatzmöglichkeiten des DAC werden hier drei näher untersucht: Frequenzentzerrung (frequency equalization), Nyquist spektrale Profilformung (spectral shaping) und Digital-zu-Analog-Konversion. Als Erstes wird ein segmentierter Modulator mit Bandbreitenerhöhung präsentiert. Diese wird verwendet um eine möglichst hohe elektro-optische Übertragungsbandbreite zu erzielen bei gleichzeitiger Verwendung von elektrischen Komponenten mit niedriger Bandbreite. Konkret wurde ein Transmitter mit Bandbreite von 30 GHz realisiert und für eine fehlerfreie Übertragung bei 56 GBd OOK genutzt, obwohl die elektrischen Komponenten maximal 22 GHz Bandbreite besitzen, dies entspricht einer Bandbreitenerhöhung von 36%. Die Vergleichsmessung unter Verwendung eines Lithiumniobat Modulators statt eines SEMZM zeigt die Vorteile des SEMZM bezüglich der Bit-Fehler-Rate (BER). Als Zweites wird der SEMZM verwendet, um die spektrale Bandbreite eines modulierten 40 GBd 4-Niveau Signals zu halbieren. Dank der spektral-formenden Eigenschaften des SEMZM können zwei Dual-Polarisations modulierte Subträger, mit einem Abstand von nur 50 GHz, fehlerfrei über 80 km Standard Einmoden-Faser (SSMF) übertragen werden. Mit einer genutzten spektralen Bandbreite von insgesamt 100 GHz beträgt die spektrale Effizienz 3,2 b/s/Hz. BER Messungen zeigen keinen Einfluss der beiden eng beieinanderliegenden Subträger aufeinander. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden segmentierte Modulatoren für die optische digital analog Konversion betrachtet. Zwei verschiedene InP SEMZM Bauelemente wurden entwickelt, für den Einsatz mit BiCMOS oder CMOS Elektronik. Der SEMZM in Intensität-Quadratur-Konfiguration mit BiCMOS Treiber zeigt eine fehlerfreie Übertagung über 80 km SSMF mit einem Dual-Polarisation 64-Symbol Quadratur-Amplituden modulierten Signal bei einer Symbolrate von 32 Gbd. Diese Symbolrate zusammen mit einem Leistungsverbrauch von nur 1.5 W ergibt eine totale Datenrate von 384 Gb/s und eine Energie pro Bit von 7,8 pJ/b. Unter Verwendung des CMOS Treibers zeigte der entwickelte SEMZM fehlerfrei transmittierte amplituden- und phasenmodulierte Signale bei 15 Gbd.
This work covers indium phosphide (InP) segmented Mach-Zehnder modulators (SEMZMs). These electro-optical components are proposed as a means to implement digital-to-analog converters (DACs) and digital signal processing functionalities without the need of bulky and power-hungry dedicated electrical components. The proposed approach shows its advantage in terms of reduced area and power consumption. Among the different DAC-enabled features, bandwidth enhancement by frequency equalization, Nyquist-space spectral shaping, and optical-DAC are identified and discussed. First, a segmented modulator with bandwidth enhancement capability is presented. When the modulator is driven by electronics of 22 GHz bandwidth, the electro-optical bandwidth of the complete transmitter is measured to be 30 GHz. Hence, a bandwidth broadening of 36 % is measured. With this setup, error-free transmission of a 56 GBd on-off keying signal is demonstrated. The experiment is repeated by replacing the SEMZM with a lithium niobate modulator driven by the same electronics. Bit error ratio (BER) measurements show the SEMZM performs better, both in presence of chromatic dispersion and in presence of noise. Afterwards, a Nyquist-space spectral shaping SEMZM is used to halve the occupied bandwidth of a 40 GBd 4-level modulated signal. Thanks to this shaping, two dual-polarization modulated subcarriers, spaced at only 50 GHz, are transmitted error-free over 80 km of standard single mode fiber (SSMF). With an overall occupied bandwidth of 100 GHz, the overall measured gross spectral efficiency is 3.2 b/s/Hz. BER measurements show no influence of the closely spaced adjacent subcarrier. Lastly, optical digital-to-analog conversion by segmented modulators is demonstrated. Two different InP devices are developed to be driven by either BiCMOS or CMOS dedicated electronics. For the first time, error-free transmission of a 32 GBd dual-polarization 64-symbol quadrature amplitude modulated (64-QAM) signal over 80 km of SSMF without the use of a DAC is demonstrated. The speed of 32 GBd and the low power consumption of 1.5 W translate to a total gross data rate of 384 Gb/s and energy per bit of 7.8 pJ/b. Alternatively, using a CMOS driver, the developed segmented modulator is shown to transmit error-free a 15 GBd 4-ASK-2-PSK signal with a power consumption of 1 W and corresponding energy per bit of 22.2 pJ/b.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5922
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5515
Exam Date: 12-Sep-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 6-Oct-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): Mach-Zehnder
modulator
InP
electro-optics
communications engineering
Nachrichtentechnik
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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