In this thesis, novel implementation techniques of all-optical wavelength conversion, all-optical logic gates, and optical clock recovery are proposed and demonstrated by using the transverse magnetic (TM)-mode absorption nulls of Fabry-Perot laser diodes (FP-LD) and two interesting response characteristics of the FP-LD to external optical injections.
An FP-LD shows several different responses to external optical injections depending on injected beam's polarization and the spectral location. When a transverse electric (TE)-mode optical beam is injected near one of TE lasing modes of the FP-LD, the LD shows typical injection locking characteristics, while the FP-LD shows small gain and results in absorption nulls at each longitudinal modes for TM-mode optical injection beams. The output of the injection-locked FP-LD shows several interesting features, including the red-shift of the cavity modes of the LD and the asymmetric injection-locking curve.
Using the absorption nulls of the FP-LD for TM-mode injected beam, which are red- shifted by injection-locking, the absorption of the continuous wave (CW) probe beam can be optically controlled; i.e. the optically controlled absorption modulation is achieved using an injection-locked FP-LD. This absorption modulation of an injection-locked FP-LD is applied for implementing a simple and efficient all-optical wavelength conversion and carried experiments demonstrated that the proposed wavelength converter can perform low power wavelength conversion (about -2.4 dBm) of 2.5 Gbit/s $2^{31}$-1 pseudorandom signal with a wavelength range of ~ 46 nm (from 1527 nm to 1573 nm) with more than 10 dB extinction ratios. For single-to-multi channel wavelength conversion, all optical wavelength conversion at 2.5 Gbit/s with two channels has been demonstrated without additional penalty increase. The bit error rate (BER) measurements at 2.5 Gbit/s showed the power penalties of 2 and 6 dB for non-inverted and inverted wavelength conversions, respectively. The operation speed of the proposed wavelength conversion was further enhanced by introducing an additional CW holding beam to make the FP-LD operate in the permanently locked condition. BER measurements results of 10 Gbit/s wavelength conversions showed 3.7 and 3.8 dB penalties for logically non-inverted and inverted operation.
The proposed absorption modulation scheme is also applied for implementing all-optical logic gates. The proposed logic gate scheme is advantageous in that multiple logic functions can be performed using only one FP-LD by slight changing of the wavelengths of the input data channels and the probe beam. So, the scheme requires low power consumption and by integrating the FP-LDs and other components, more complicated logic functions such as XOR, full-adder, etc. can be achieved. Experiments of optical 'OR/NOR', 'AND/NAND' logic gates have been achieved at bit-rate of 1 Gbit/s for concept-proof purpose.
Furthermore, all-optical clock extraction of NRZ data format is proposed and demonstrated at 10 Gbit/s based on TM mode absorption and self-phase modulation (SPM) in Fabry-Perot laser diode (FP-LD). An FP-LD has absorption nulls for TM mode injected beam and the beam having NRZ data experiences SPM, which induces a frequency chirp at every rising edge and falling edge. By extracting the chirp components, all-optical NRZ to PRZ format conversion has been achieved. The resultant PRZ data gives well defined 10 Gbit/s clock signal and showed wavelength detuning sensitivity of about 0.12 nm with more than 20 dB clock-to modulation component ratio (CMR).
The proposed implementation techniques of all-optical wavelength converter, all-optical logic gates and optical clock recovery using low-cost FP-LDs with external optical injection have the advantages of a simple and cost-effective configuration, and low input power requirement, and wide wavelength range of operation. Although TE/TM polarization control is required, integration of the FP-LD and polarization control components will ease the difficulty caused by the polarization control.
본 학위논문에서는 페브리 페롯 레이저 다이오드 (FP-LD)의 TM 모드 흡수 골과 외부 주입광에 대한 두 가지 반응 특성을 이용하여 새로운 방식의 파장변환, 전광 논리 소자 그리고 전광 클럭 추출을 구현하였다.
FP-LD 는 외부 주입광에 대하여 주입광의 편광과 주입광 파장과 자체 공동 모드간의 일치 정도에 따라 각기 다른 반응을 보인다. TE 모드의 광이 FP-LD 의 발진 모드에 매칭되어 주입되는 경우, 잘 알려진 주입 잠김 특성이 나타나며, 이와 달리 TM 모드 광에 대해서는 공동 내부의 낮은 TM 모드 이득에 의해 흡수 골이 각 모드 위치에 나타나게 된다. 또한, 주입 잠김된 FP-LD 의 출력은 주입 잠김에 의해 공동 모드의 장파장 쪽으로의 천이 (red-shift), 비대칭적 주입 잠김 곡선 등과 같은 특성을 나타낸다.
이러한 FP-LD 의 TM 모드 흡수 골과 주입 잠김에 의한 흡수 골의 red-shift 를 이용하여 흡수 골에 위치시킨 TM 모드 CW 프로브 광의 흡수를 외부 TE 모드 주입광에 의해 조절할 수 있다. 즉, 광의 의해 조절되는 흡수 변조가 가능한 것이다. 이러한 주입 잠김된 FP-LD 의 흡수 변조 특성을 이용한 간단한 구조의 효율적인 전광 파장 변환 구현이 제안되었으며 실험을 통해 낮은 입력 파워 (-2.4 dBm)에 의한 파장 변환이 가능함을 확인하였다. 2.5 Gbit/s BER 측정 결과 비반전 및 반전 파장 변환이 가지는 파워 페널티는 각각 2 와 6 dB 였으며 46 nm (1527 nm 에서 1573 nm 까지)의 넓은 변환 영역에 대한 파장 변환이 가능하였다. 제안된 파장 변환 방식의 동작 속도 향상을 위하여 CW 고정 빔의 사용이 제안되었으며 이를 통해 10 Gbit/s 속도에서의 파장변환 결과를 얻었으며 BER 측정 결과 약 3.7 과 3.8 dB 의 파워 페널티를 비반전과 반전 파장변환에 대하여 보여주었다.
본 논문에서는 주입 잠김된 FP-LD 의 흡수 변조 방식을 이용하여 전광 논리 소자 구현을 제안하고 검증하였다. 제안된 전광 논리 소자 구현 방식은 다양한 논리 기능이 한 개의 FP-LD 를 이용하여 구현될 수 있으며 따라서 파워 소비가 낮고 향후 집적화를 통하여 보다 XOR, Full-Adder 등과 같은 보다 복잡한 기능의 논리 소자 구현에 있어 효율적인 장점을 가진다. 제안된 구현 방식의 검증을 위하여 1 Gbit/s 속도에서 'OR/NOR'와 'AND/NAND'의 논리 기능이 실험을 통해 검증되었다.
또한, FP-LD 의 TM 모드 흡수 특성과 이에 수반되는 자기위상변조 (self-phase modulation; SPM)를 이용하여 NRZ 데이터의 전광 클럭 성분 추출 방법이 제안되었으며 10 Gbit/s 속도에서 실험적으로 검증되었다. NRZ 데이터 포맷의 입력광이 FP-LD 의 흡수 골에 위치하게 되면, 흡수된 광 입력에 의해 SPM 이 발생하고 이에 따라, 입력 데이터의 시작과 끝 지점에서 주파수 처핑이 발생한다. 이 처핑 성분이 흡수 골을 벗어나 출력되면서 전광 NRZ-PRZ (Pseudo-RZ) 변환이 이루어지게 된다. 실험 결과, 출력된 PRZ 데이터는 향상된 10 Gbit/s 클럭 성분을 보여주었고 약 0.12 nm의 입력 광 파장 변이에 대하여 20 dB 이상의 클럭 대 변조 성분비 (clock-to modulation component ratio; CMR)를 보여주었다.
본 학위논문에서 제안된 저가의 FP-LD 와 외부 주입광을 이용한 파장변환, 전광 논리 소자 그리고 전광 클럭 추출 구현 방법은 간단하고 비용효율적인 구성과 낮은 입력 광 파워 요구조건 그리고 넓은 동작 파장 영역 등의 장점을 가진다. 비록 TE/TM 편광의 조절이 필요하지만, 이는 향후 FP-LD 와 편광 조절기 집적화를 통해 쉽게 해결될 수 있다.
