Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8286
Main Title: Optical feedback effects within 1.55 μm InP-based DFB laser integrated Mach-Zehnder modulators for up to 100 GBd data transmission
Translated Title: Optische Rückkopplungseffekte in 1.55 µm InP-basierten DFB Laser integrierten Mach-Zehnder Modulatoren für bis zu 100 GBd Datenübertragung
Author(s): Lange, Sophie Gloria
Advisor(s): Petermann, Klaus
Referee(s): Petermann, Klaus
Schell, Martin
Amann, Markus-Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Indium phosphide-based 1550 nm wavelength optical transmitters are developed, suitable for next generation transceiver modules for intra- and inter-data center connections from a few kilometers to tens of kilometers range. The challenges of designing high-speed, low power and low-cost transceivers for future data centers are met by integrating a high bandwidth and low switching voltage travelling wave electrode Mach-Zehnder or in-phase and quadrature (IQ) modulator, on the same chip with a distributed feedback (DFB) laser. The monolithic laser integration leads to a smaller transmitter size, almost zero coupling loss at the laser modulator interface and less assembly time and effort, making the transmitters power and cost efficient. The fabricated DFB laser Mach-Zehnder/ IQ modulator transmitters have a comparable footprint as the reference Mach-Zehnder/ IQ modulators and provide low 2 V switching voltages and up to 54 GHz 3-dB bandwidths. A drawback of the monolithic integration is the missing isolation between the laser and the modulator. Although, the effects of passive and dynamic optical feedback on the laser behavior has been intensively studied, the effects on modulated signals are not well known. Thus, this work focusses on the theoretical and experimental investigation of the developed DFB laser Mach-Zehnder/ IQ modulator transmitter performance with optical feedback. A simulation model of a laser with passive and modulated optical feedback is generated, based on the Lang-Kobayashi equations. The results show that the weak optical feedback of regime I leads to a transmitter self-phase modulation, especially at modulation frequencies lower than the laser relaxation oscillation frequency. In the transmitter measurements, the self-phase modulation barely affects the performance of intensity modulated signals. Phase modulated binary and quaternary phase shift keying signals, however, suffer from increased phase variations and error vector magnitudes at modulation frequencies up to 25 GHz. At higher modulation frequencies, the influence of the modulated optical feedback diminishes, and the transmitter binary and quaternary phase shift keying (BPSK and QPSK) error vector magnitudes are mostly linewidth dependent. Simulations and measurements show that the laser linewidth is affected by the optical feedback, depending on the transmitter bias point. Thus, a careful bias point selection is important to achieve the best performance of DFB laser Mach-Zehnder/ IQ modulator transmitters with optical feedback. Despite the weak optical feedback, a good transmitter performance is achieved at the optimum bias point and at modulation frequencies larger than 25 GHz. 32 GBd QPSK operation with an error vector magnitude less than 10% and a low modulation voltage of 3 Vpp is demonstrated with a DFB laser IQ modulator transmitter with differential driver subassembly. The transmitter subassembly has a low power consumption of 1.1 W, which complies with the targeted transceiver module power budget. For the first time, 100 GBd operation is demonstrated with a packaged monolithic DFB laser Mach-Zehnder modulator transmitter module. Digital signal processing is utilized to overcome transmitter imperfections as well as noise limitations. 100 Gb/s non-return-to-zero (NRZ) on-off keying transmission over up to 1.8 km and 1.2 km 200 Gb/s 4-level pulse amplitude modulation (PAM4) transmission at a 1550 nm wavelength is achieved, making the device attractive for dual-lane 400 Gb/s short reach applications.
Es werden optische Transmitter in Indiumphosphid-Technologie mit einer Wellenlänge von 1550 nm, für Intra- und Inter-Data-Center-Transceiver-Module der nächsten Generation, mit einer Reichweite von einigen bis zu einigen zehn Kilometern entwickelt. Transceiver-Module für zukünftige Datenzentren benötigen gleichzeitig eine hohe Geschwindigkeit, einen geringen Leistungsverbrauch und niedrige Kosten. Diese Herausforderungen werden gelöst, indem ein Wanderwellenelektroden Mach-Zehnder oder In-Phase und Quadrature (IQ)-Modulator, mit hoher Bandbreite und niedriger Schaltspannung, zusammen mit einem Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB Laser), auf demselben Chip integriert wird. Die monolithische Laserintegration führt zu einer kleineren Transmittergröße, nahezu vernachlässigbaren Koppelverlusten am Laser-Modulator Übergang, einer geringeren Montagezeit und einem geringeren Montageaufwand, was die Transmitter Leistungs- und die Kosteneffizienz erhöht. Die hergestellten DFB Laser Mach-Zehnder/ IQ-Modulator Transmitter haben vergleichbare Dimensionen wie Referenz-Mach-Zehnder/ IQ-Modulatoren, ohne Laser und liefern niedrige 2 V-Schaltspannungen und 3-dB-Bandbreiten bis zu 54 GHz. Ein Nachteil der monolithischen Integration ist die fehlende Laser-Modulator Isolation. Obwohl die Auswirkungen der passiven und dynamischen optischen Rückkopplung auf das Laserverhalten intensiv untersucht wurden, sind die Auswirkungen auf Datensignale verschiedener Modulationsformate nicht bekannt. Diese Arbeit konzentriert sich daher auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Leistung der entwickelten DFB-Laser-Mach-Zehnder/ IQ-Modulator Transmitter unter optischer Rückkopplung. Basierend auf den Lang-Kobayashi-Gleichungen wird ein Simulationsmodell erzeugt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Transmitter unter der schwachen optischen Rückkopplung des Regimes I eine Selbstphasenmodulation erzeugen, insbesondere bei Modulationsfrequenzen unterhalb der Laserrelaxationsfrequenz. Die Selbstphasenmodulation beeinflusst die Qualität gemessener intensitätsmodulierter Signale kaum. Phasenmodulierte Binär- und Quadraturphasenumtastungs (BPSK und QPSK)-Signale hingegen, zeigen erhöhte Phasenschwankungen und Fehlervektorgrößen bei Modulationsfrequenzen kleiner 25 GHz. Bei höheren Modulationsfrequenzen verringert sich der Einfluss der modulierten optischen Rückkopplung und die Fehlervektorgrößen der BPSK und QPSK Signale sind hauptsächlich linienbreitenabhängig. Transmitter Simulationen und Messungen zeigen, dass auch die Laserlinienbreite von der optischen Rückkopplung beeinflusst wird, abhängig vom Transmitterarbeitspunkt. Trotz der optischen Rückkopplung wird eine gute Transmitter Leistung bei optimaler Transmitterarbeitspunktsauswahl und bei Modulationsfrequenzen größer als 25 GHz erreicht. 32 GBd QPSK-Betrieb mit einer Fehlervektorgröße kleiner 10% und niedriger 3 Vpp Modulationsspannung wird mit einem DFB-Laser IQ-Modulator Transmitteraufbau mit differenziellem Treiber demonstriert. Der Transmitteraufbau hat einen geringen 1,1 W Leistungsverbrauch, was dem angestrebten Leistungsbudget entspricht. Zum ersten Mal wird auch eine Signalübertragung von 100 Gb/s Non-Return-To-Zero (NRZ)-Wechselschrift über bis zu 1,8 km und 200 Gb/s 4-Level Pulsamplitudenmodulation (PAM4)- über 1,2 km mit einem monolithischen DFB-Laser Mach-Zehnder Modulator Transmittermodul demonstriert. Digitale Signalverarbeitung wird dabei verwendet, um Transmitter-Imperfektionen sowie Rauschen zu kompensieren. Das Transmittermodul ist besonders attraktiv für Zwei-Kanal-400 Gbit/s Anwendungen mit kurzen Reichweiten.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9200
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8286
Exam Date: 15-Oct-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 7-May-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Mach-Zehnder modulator
photonic integrated circuits
optical transmitters
photonische Komponenten
optische Transmitter
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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