In this thesis, a novel technology of all-optical wavelength conversion and all-optical logic gates is proposed and demonstrated by using the injection locking and gain modulation in Fabry-Perot laser diode (FP-LD).
An FP-LD shows different responses to external optical injections depending on injected beam’s spectral location. When a transverse electric (TE) mode optical beam is injected near one of longitudinal lasing modes of the FP-LD, the laser shows typical injection locking with a gain. The output of the injection-locked FP-LD shows several interesting features, including the red-shift of the cavity modes of the laser and the asymmetric injection-locking curve. This asymmetric injection locking behavior shows that, to get an injection locking state, the external beam should be injected in a certain locking range. If the external beam is out of the locking range, the bean cannot lock the FP-LD and the external beam does not show any power gain.
Using this injection locking characteristic, one external beam (probe) power can be optically controlled by another external beam (pump) with certain conditions. The gain variation of the probe beam power by the injection of pump beam is referred to as gain modulation. This gain modulation of an injection-locked FP-LD is applied for realizing simple and cost-effective all-optical wavelength converter and all-optical logic gate in this thesis. The operations are carried out at a bit rate of 10 Gb/s.
Different configurations of wavelength converters are experimentally demonstrated. To realize multi wavelength conversion with multicasting functions, a $1\times4$ and $4\times4$ wavelength conversions are demonstrated. To realize the capability of wavelength up-conversion and wavelength down-conversion, a $1\times4$ wavelength up and a $1\times4$ wavelength down converters are demonstrated. To see the wide range wavelength conversion capability of this scheme, the probe signals were set to different spectral locations of a span of about 20 nm and the results shows excellent performances. The wavelength converter shows very good performance. The BER performance were measured and a little power penalty of around 1.5 dB was observed in wavelength conversion operation.
The gain modulation scheme is also applied to achieve all-optical logic gates. The all-optical logic NOT and NOR gates were demonstrated at a bit rate of 10 Gb/s. To prove the multicasting function of the logic gates, simultaneously two channels output logic NOT and NOR gates are demonstrated. The logic operation of NOR gate shows a little more power penalty ($\sim 2 dB$) than NOT gate operation ($\sim 1.5 dB$). This is because for NOR gate operation, the two input signals power and polarization should be matched equally.
Wavelength conversions and logic functions are realized by using both multi mode (MM) FP-LD as well as single mode (SM) FP-LD. For wavelength conversion as well as for logic operations, an external probe light source is required in case of using MM FP-LD. While there is no need of using any external probe light source to realize wavelength conversion and logic gate operations in case of using SM FP-LD. In wavelength conversion or in logic gate operation using MM FP-LD, the input pump signal has to control an external injected probe light; hence on-off contrast ratio is not as high as in case of SM FP-LD. In case of MM FP-LD, on-off contrast ratio of about $15 \sim 20 dB$ was measured and in case of SM FP-LD that was about 40 dB. The main advantage of MM FP-LD is that it supports multiple output channels simultaneously while SM FP-LD supports only one output in each module. The proposed schemes require very low power input for the conversion operation. An input power of -2 dBm was enough to operate MM FP-LD for signal processing and that for the operation of SM FP-LD was about -5 dBm. In MM FP-LD operation, a little more power is required because the input pump has to control another external light intensity for the operation while in SM FP-LD operation there is no need of external probe light for the operation. For the wavelength conversion operation as well as for the logic operations using SM FP-LD, a negligible power penalty of about 1 dB was measured. Both the wavelength conversion and logic gate operation using MM FP-LD and SM FP-LD performed error free operations. There was no error floor up to BER as low as $10^{-12}$.
본 학위논문에서는 페브리페롯 레이저 다이오드 (Fabry-Perot laser diode)의 주입잠김 (Injection locking)과 이득변조 (Gain modulation) 특성을 이용한 새로운 방식의 전광 파장변환 (All-optical frequency conversion) 및 전광 논리소자 (All-optical logic gate)를 제안하고 구현하였다.
페브리페롯 레이저 다이오드 (FP-LD)는 주입되는 빔의 파장에 따라 특정한 주입잠김과 이득변조 특성을 보인다. FP-LD공진기 내의 종 발진모드 (Longitudinal lasing mode)들 중 어느 하나와 근접한 파장의 TE 모드 빔이 외부로부터 주입될 경우, FP-LD는 외부 빔의 파장으로 주입잠김 현상이 일어난다. 주입 잠긴된 FP-LD 출력의 특징은 전체 모드들의 파장이 적색천이 (red-Shift) 되는데, 그 형태는 비대칭 곡선이다. 이러한 비대칭 주입잠김 현상 때문에 주입잠김 상태를 얻기 위해서는 주입되는 외부 빔이 어느 특정 파장범위에 있어야 한다. 반면에, 외부 빔이 요구 파장범위에서 벗어났을 때는 주입잠김 현상은 일어나지 않기 때문에 외부 빔의 출력에는 이득변화가 생기지 않는다. 본 논문에서는 주입잠김 특성을 이용하여, 특정 조건의 여기 빔 (Pump beam)을 외부에서 주입함으로써 광학적으로 검출 빔 (Probe beam)의 출력을 제어하였다. 여기 빔의 주입 시 검출 빔의 출력에 이득 변화가 생기는데 이를 이득변조라 한다. FP-LD의 주입잠김된 이득변조 특성을 이용하면 전광 파장변환 이나 전광 논리소자를 간단하고 경제적으로 구현할 수 있다. 실제 10 Gbits/s 속도에서 실험이 성공적으로 수행되었다.
또한, 상이한 구조의 파장 변환기들에 대해 실험적으로 검증하였다. 멀티캐스팅 기능의 다채널 파장 변환을 위해 $1\times4$ , $4\times4$ 파장변환기를 구현하여 $1\times4$ 상향 변환 및 $1\times4$ 하향 변환을 검증하였고 광대역용 파장변환 기능을 시험하기 위해 약 20nm 간격의 상이한 파장영역의 검출 신호를 사용하여 성공적인 결과를 얻었다. 측정된 BER 성능은 파장변환 수행 시 약 1.5dB 출력 패널티를 보였다. FP-LD의 이득변조 특성은 전광 논리소자 구현에 있어 매우 중요하다. 실제 전광 “NOT”과 “NOR” 논리소자를 구현하여 10 Gbits/s 속도에서 동작을 검증하였다. 두 개의 채널로 구성된 논리게이트 출력들이 실험적으로 잘 동작하였는데 이는 향후 멀티캐스팅 기능을 갖는 WDM 통신망이나 전광 신호처리 시스템의 핵심 기능블럭으로 사용될 수 있을 것이다. “NOT”과 “NOR” 논리소자 동작 시 각각 1.5dB, 2dB의 약간 상이한 출력 패널티 값이 측정되었는데 “NOR” 논리소자 동작의 경우 두 개 입력 파워레벨과 편광상태가 정확히 일치해야 하기 때문에 좀 더 높은 출력 패널티 값이 부과됨을 알 수 있다.
본 논문에서 구현된 파장변환기와 논리소자는 단일 및 다중모드 FP-LD각각에 대해 두 가지 방법으로 구성했다. 두 가지 구성의 차이점은 다중모드 FP-LD로 파장변환기와 논리소자를 동작시키기 위해서는 필히 외부 검출 광원을 사용해야 하지만 단일모드 FP-LD로 구성했을 때는 검출 광원 없이 동작시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 파장변환 또는 논리소자 동작 시 입력 여기신호는 외부로부터 주입되는 검출신호를 제어하여 On-Off 상태를 결정하는데, 이 때의 On-Off 명암비 (Contrast ratio)는 다중모드에 비해 단일모드 LD의 경우 월등히 우수했다. 실제 측정된 값은 다중모드 LD에 대해서는 약 15~20dB였으며 단일모드 LD는 약 40dB로 나타났다. 몇 가지 단점에도 불구하고 다중모드 LD의 큰 장점으로는 단일모드 LD가 한 채널 출력만을 제공하는데 반해 다중모드 LD의 경우 다채널 출력을 동시에 수용할 수 있다는 장점이 있어서 경제적인 응용이 가능하다. 기존 기술과 비교했을 때 본 논문에서 제안된 단일 및 다중모드 FP-LD방식으로 파장변환을 수행했을 경우 매우 낮은 레벨의 전력소모가 발생함을 확인할 수 있었다. -2dBm 정도의 낮은 입력전력으로도 신호처리를 위해 다중모드 FP-LD를 구동시킬 수 있었으며 단일모드 FP-LD의 경우 이보다도 낮은 -5dBm 정도로 충분했다. 다중모드 LD로 구성 시 전력소모가 높은 이유는 앞에서 언급한 바와 같이 단일모드 LD에 비해 여분의 외부 검출광원을 사용해야 하기 때문이다. 단일 및 다중모드 LD로 구성한 파장변환기와 논리소자는 모두 실험적으로 우수한 성능특성을 보였으며 실제 측정된 BER 데이터는 $10^{-12}$ 보다 낮았다.
본 논문에서 상기와 같이 제시한 전광 파장변환기 및 논리소자는 대량생산이 가능하고 저렴한 가격의 FP-LD를 BER 이용하여 구현하였다는 장점이 있다. 구현된 전광 파장변환과 논리소자 기능은 향후 WDM 광통신망 또는 다양한 전광 신호처리 시스템에 핵심기능으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
