Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Doutoramento em FísicaEste trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.The main motivation for this work is the desire to upgrade today’s opaque network nodes, which are plagued by inherent limitations of its constitutive electronics, by all-optical transparent network nodes. The all-optical promise consists in delivering ever higher bit rates, more transparency, and unsurpassed efficiency associated to sophisticated all-optical switching paradigms. In this light, the integrated MZI-SOA has been selected as the fundamental building block for this investigation of all-optical processing techniques and functions necessary for developing the next generation alloptical networks. Next generation optical networks will use advanced phase-managed modulation formats. Accordingly, the first simulation and experimental investigation assesses the performance of MZI-SOA based wavelength and format converter circuits for advanced modulation formats. Rules are derived for ensuring optimal MZI-SOA operation. The impact of the pulse shape on both the wavelength and format conversion processes is also addressed. More complex MZI-SOA based implementations of bit-level, and packet-level, time domain processing functions are analysed. A MZI-SOA based wavelength division multiplexing to time division multiplexing converter is experimentally investigated and compared to similar simulation results. The performance of packet compressor and decompressor circuit schemes, based on quantum well and quantum dots SOA devices, is analysed through simulation techniques. A MZI-SOA wavelength converter based selectable packet delay time slot interchanger, which uses an optical delay line bank, is experimentally demonstrated. Finally, the impact of crosstalk on all-optical networks is studied analytically, experimentally, and through simulations. An extant analytical model for assessing the performance of crosstalk impaired signals is improved for dealing also with distorted signals. Using the extended model, it is shown that heavily filtered signals are more seriously affected by crosstalk than unfiltered signals. Hence, accurate calculation of penalties stemming from both filtering and crosstalk, must model these effects jointly. The crosstalk limited scalability of a MZI-SOA space switched time slot interchanger is also assessed employing this method. An additional study points to the conclusion that crosstalk caused by signals impaired by non-linear effects can have a more significant detrimental impact on optical systems performance than that of the crosstalk caused by a signal unimpaired by non-linearities. On the whole, it has been demonstrated that the MZI-SOA is a suitable building block for a variety of optical processing circuits required for the next generation optical networks. Its performance capabilities have been established in several optical circuits, from the component up to the system level. Next steps towards the implementation of next generation optical networks have been suggested according to the recent developments and the MZI-SOA’s strengths and drawbacks, in order to pursue the goal of higher bit rate, more transparent, and efficient optical networks