[[alternative]]Study of optical extinction ratio enhancement and data erasion techniques

碩士[[abstract]]光纖通訊在新一代傳輸網路中扮演著重要的角色，其主要技術為分波多工(Wavelength Division Multiplexing, WDM)技術。由於WDM的優勢，使得WDM被動光網路(WDM Passive Optical Networks, WDM-PONs)在接取網路方面極具有潛力。 在本篇論文中，我們提出在WDM-PONs中使用法布里珀羅雷射二極體(Fabry-Perot Laser Diode, FP-LD)去提昇或抹除直接調變分佈式回饋雷射(Directly Modulated Distributed Feedback Laser, DML)輸出的光訊號明滅比(Extinction Ratio, ER)。在模擬結果中，DML輸出光訊號明滅比可順利地提昇將近20 dB。在實驗上，我們證明2.5 Gbps DML光訊號之光明滅比可提昇超過10 dB；此外在資料抹除方面亦有顯著的效果。在基於反射式半導體光放大器(Reflective Semiconductor Optical Amplifier, RSOA) WDM-PON中，應用此項資料抹除技術比資料未抹除方式可以減少1.6 dB的功率償付值(Power Penalty)。[[abstract]]Optical communication plays an important role in the next-generation transmission network and its main technique is wavelength division multiplexing (WDM). Due to the advantage of WDM, WDM passive optical networks (WDM-PONs) are very attractive in access networks. In this thesis, we proposed a novel scheme utilizing a Fabry-Perot laser diode to enhance or erase the output extinction ratio of the directly modulated distributed feedback laser (DML) in WDM-PONs. From the simulation results, the extinction ratio of a DML can be successfully improved by nearly 20 dB. From experiment at results, we demonstrated the enhancement of extinction ratio over 10 dB for 2.5 Gbps DML. Moreover, this technique had good performance on data erasion. Compared to the transmission without data erasion, our scheme reduced the power penalty by about 1.6 dB for the reflective semiconductor optical amplifier-based WDM-PONs.[[tableofcontents]]目錄 第一章 簡介 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 8 1.3 先前技術介紹 11 1.4 論文架構 15 第二章 半導體光源簡介與光訊號特性 16 2.1 半導體光源介紹 17 2.1.1 光通訊用發光二極體(LED) 19 2.1.1.1 光功率與電流(L-I)曲線 19 2.1.1.2 光頻譜特性 22 2.1.2 法布裏珀羅雷射二極體(Fabry-Perot LD) 23 2.1.2.1 光功率與電流(L-I)曲線 24 2.1.2.2 光頻譜特性 26 2.1.2.3 增益特性 27 2.1.3 分布反饋雷射二極體(DFB) 28 2.1.3.1 光功率與電流(L-I)曲線 29 2.1.3.2 光頻譜特性 30 2.1.4 垂直共振腔表面放射雷射(VCSEL) 31 2.1.4.1 光功率與電流(L-I)曲線 32 2.1.4.2 光頻譜特性 33 2.2 光調變與光訊號特性 34 2.2.1 直接調變與外部調變 34 2.2.2 光訊號明滅比 35 2.2.3 Turn-On Delay 37 2.2.4 啁啾效應 40 2.2.5 色散 41 第三章 法布裏珀羅雷射的應用與先前技術 45 3.1 雷射基本特性實測 45 3.2 自我成長光源技術 48 3.2.1 原理介紹 48 3.2.2 應用技術 48 3.3 入射鎖模技術 51 3.3.1 原理介紹 51 3.3.2 應用技術 53 第四章 光明滅比提昇技術與模擬結果 55 4.1 被動元件-光濾波器 55 4.1.1 原理介紹 56 4.1.2 模擬結果 57 4.2 主動元件-法布裏珀羅雷射 64 4.2.1 原理介紹 64 4.2.2 模擬結果 66 4.2.2.1 模擬微調訊號光中心頻率 67 4.2.2.2 模擬微調法布裏珀羅雷射之驅動電流 71 4.2.2.3 比較不同調變振幅之最佳效果 72 4.2.2.4 啁啾效應 76 4.2.2.5 增益飽和 79 4.2.3 與被動元件-光濾波器之比較 82 4.3 多通道光明滅比提昇技術模擬 83 4.3.1 Etalon 83 4.3.2 FP-LD 84 4.3.3 多通道載子效應 85 第五章 實驗結果 91 5.1 同軸包裝法布裏珀羅雷射二極體 91 5.1.1 溫控方式 91 5.1.2 實驗設置與元件特性 92 5.1.3 實驗結果 94 5.2 蝶型包裝法布裏珀羅雷射二極體 98 5.2.1 實驗設置與元件特性 98 5.2.2 實驗結果 98 5.2.3 雙通道光明滅比提昇 111 第六章 資料抹除技術實驗結果 118 6.1 前言 118 6.1.1 原理介紹 118 6.1.2 先前技術 120 6.2 實驗結果 122 第七章 結論 133 7.1 成果與討論 133 7.1.1 提昇光明滅比 133 7.1.2 資料抹除 134 7.2 未來研究方向 135 參考文獻….. 137 圖索引 圖1.1 EPON光網路架構圖..............................................................................3 圖1.2 WDM系統示意圖..................................................................................4 圖1.3 WDM技術在光存取網路中的演進......................................................5 圖1.4 WDM架構中雙條光纖或單條光纖之設置，(a)、(b)上下傳分開路 徑，(c)、(d)上下傳分開波長，(e)特殊需求.............................................6 圖1.5 AWGN機率密度函數............................................................................9 圖1.6 二進位訊號錯誤率..............................................................................10 圖1.7 利用入射鎖模達到波形重整之技術…………..................................11 圖1.8 全光式針對10 Gbps NRZ失真訊號波形重整……..........................12 圖1.9 全光式針對10 Gbps NRZ失真訊號波形重整系統…......................14 圖2.1 L-I 曲線與調變示意圖……...............................................................20 圖2.2 ELED的L-I曲線模擬結果..................................................................21 圖2.3 兩種端面反射量之ELED輸出光頻譜模擬結果 (a)端面反射為0.001(b)端面反射為0...........................................................................22 圖2.4 Fabry-Perot共振腔原理及特性...........................................................23 圖2.5實測兩種封裝形式FP-LD之L-I曲線 (a)Coaxial FP-LD(b)Butterfly FP-LD....................................................................................................25 圖2.6 實測同軸包裝之FP-LD光頻譜 (a)大範圍(50 nm)光頻譜(b)小範圍(10 nm)光頻譜......................................................................................26 圖2.7 蝶型包裝之FP-LD光頻譜 (a)大範圍比較三顆FP-LD光頻譜(b)小範圍單顆FP-LD光頻譜.......................................................................27 圖2.8 DFB Laser的L-I曲線實測結果..........................................................29 圖2.9 蝶型包裝之DFB雷射輸出光頻譜 (a)單模態DFB雷射光頻譜(b)比較1.25 Gbps與10 Gbps調變訊號下之DFB雷射光頻譜..............30 圖2.10 VCSEL的L-I曲線實測結果.............................................................32 圖2.11 VCSEL輸出光頻譜...........................................................................33 圖2.12 ER值相關計算參數 (a)訊號眼形圖I(b)訊號眼形圖II...................36 圖2.13 Turn-On Delay示意圖…....................................................................37 圖2.14 TOD與IL.on曲線圖.............................................................................38 圖2.15 模擬Turn-On Delay...........................................................................39 圖2.16 啁啾效應示意圖 (a)靜態啁啾(b)暫態啁啾....................................41 圖2.17 色度色散............................................................................................42 圖2.18 模態間色散........................................................................................43 圖3.1 蝶形封裝法¬布¬裏珀羅雷射輸出光頻譜特性 (a)不同溫度時的光頻譜(b)不同驅動電流之光頻譜..............................................................46 圖3.2 比較兩種法¬布¬裏珀羅雷射之頻譜特性..............................................47 圖3.3 自我成長應用技術I ………...............................................................49 圖3.4 自我成長應用技術II……..................................................................49 圖3.5 自我成長應用技術III ……................................................................50 圖3.6 入射鎖模下之注入光功率門檻值 (a)5 GHz與10 GHz之比較(b) 10 GHz與20 GHz之比較.........................................................................52 圖3.7 入射鎖模技術的應用I ……...............................................................53圖3.8 入射鎖模技術的應用II ….................................................................54 圖4.1 比較兩濾波器之輸出光頻譜 (a)高斯濾波器之濾波光頻譜(b)析光器之濾波光頻譜...................................................................................56 圖4.2 利用高斯濾波器來提昇ER值之架構。.............................................57 圖4.3 在DFB輸出光頻率微調下，觀察高斯濾波器提昇ER的效果 (a)DFB輸出光頻率微調範圍(b) ER值提昇效果...............................58 圖4.4 比較高斯濾波器濾波後之眼形圖 (a)DFB原始輸出眼形圖(2.5 Gbps) (b)DFB輸出光頻率為193.08 THz...........................................59 圖4.5 比較高斯濾波器濾波後之眼形圖 (a)DFB輸出光頻率為193.086 THz(b)DFB輸出光頻率為193.09 THz...............................................59 圖4.6 在DFB輸出光頻率微調下，析光器提昇ER的效果 (a)DFB微調範圍(b)光明滅比隨微調提昇結果......................................................60 圖4.7 頻譜對準條件與析光器濾波後眼形圖 (a)DFB輸出光頻率為193.088 THz(b)訊號眼形圖(c)DFB輸出光頻率為193.095 THz(d)訊號眼形圖……………………………………………………...………61 圖4.8 析光器穿透量與輸出光明滅比提昇量的關係曲線..........................62 圖4.9 在不同操作條件下，法布裏珀羅雷射之特性....................................65 圖4.10 經法布裏珀羅雷射反射後提昇光明滅比........................................66 圖4.11 法布裏珀羅雷射晶片長度與自由頻譜範圍關係曲線....................67 圖4.12 DFB中心頻率微調結果(FP-LD：60 mA，Chip Length: 350 μm)......................................................................................................68 圖4.13 比較DFB原始與光明滅比提昇後之訊號眼形圖 (a)DFB原始眼圖(b)光明滅比提昇後眼圖....................................................................69 圖4.14 光明滅比提昇最佳操作點之輸出光頻譜 (a)法布裏珀羅雷射輸出頻譜(b)提昇後之輸出光頻譜............................................................70 圖4.15 輸入與光明滅比提昇後輸出之峰值放大光頻譜 (a)DFB原始輸出頻譜(b)光明滅比提昇後頻譜............................................................71 圖4.16 在不同驅動電流下，法布裏珀羅雷射之光明滅比提昇效果..........72 圖4.17 光明滅比提昇量隨著DFB調變振幅的變化 (a)原始與改善後光明滅比(b)光明滅比提昇量變化............................................................73 圖4.18 靜態啁啾與調變振幅關係................................................................73 圖4.19 模擬直調雷射輸出光明滅比為3 dB與8 dB之誤碼率曲線..........75 圖4.20 DFB不同調變振幅所造成靜態啁啾 (a)調變振幅為40 mA(b)調變振幅為180 mA...................................................................................76 圖4.21 DFB不同調變振幅所造成靜態啁啾 (a)調變振幅為40 mA(b)調變振幅為180 mA...................................................................................77 圖4.22 經過架構提昇光明滅比後的啁啾效應模擬....................................78 圖4.23 模擬光明滅比提昇與輸入光功率關係圖........................................79 圖4.24模擬輸入光明滅比與功率增益關係圖.............................................80 圖4.25 模擬輸入光明滅比與最大提昇量關係圖........................................81 圖4.26 光明滅比提昇前與提昇後之誤碼率曲線........................................82 圖4.27 模擬多通道經過析光器提昇光明滅比架構....................................83 圖4.28 模擬利用析光器提昇雙通道光明滅比之眼形圖 (a)DFB1(193.085 THz)(b)DFB2(193.185 THz)..............................................................84 圖4.29 模擬多通道法布裏珀羅雷射提昇光明滅比架構............................84 圖4.30 模擬雙通道光明滅比提昇的眼形圖 (a)相同的隨機訊號(b)不同的隨機訊號............................................................................................85 圖4.31 輸出光脈衝與干擾脈衝比對............................................................86 圖4.32 利用法布裏珀羅雷射輸出模態漂移達到波長轉換 (a)DFB2訊號眼圖(b)連續光源轉換後訊號眼圖....................................................87 圖4.33 利用法布裏珀羅雷射達成正向與反向的波長轉換 (a)正向波長轉換(b)反向波長轉換............................................................................88 圖4.34 加入連續光源之雙通道光明滅比提昇輸出光頻譜........................89 圖4.35 不同功率輔助光源之多通道光明滅比提昇效果 (a)連續光源功率為60 mW(b)連續光源功率為20 mW...............................................89 圖4.36 輔助光功率與多通道光明滅比提昇關係曲線圖............................90 圖5.1 利用同軸包裝法布裏珀羅雷射提昇光明滅比架構..........................92 圖5.2 DFB雷射原始輸出眼形圖 (1.25 Gbps) (a)VP-P=1 V(b)VP-P=2 V......93 圖5.3 DFB雷射與1580 nm波段法布裏珀羅雷射光頻譜(a) Span=100 nm (b)Span=10 nm......................................................................................94 圖5.4 經法布裏珀羅雷射反射後光明滅比提昇效果(2.5 Gbps) (a) DFB雷射直接調變(VP-P=2 V) (b)光明滅比提昇後眼形圖............................95 圖5.5 經法布裏珀羅雷射反射後光明滅比提昇效果(10 Gbps) (a)DFB雷射直接調變(VP-P=2 V) (b)光明滅比提昇後眼形圖................................95 圖5.6 同軸包裝法布裏珀羅雷射之光明滅比提昇效果隨VP-P的變化......96 圖5.7 經法布裏珀羅雷射反射後光明滅比提昇效果(2.5 Gbps) (a)DFB雷射直接調變(VP-P=2 V) (b)光明滅比提昇後眼圖................................97 圖5.8 DFB雷射與法布裏珀羅雷射頻譜相對位置圖..................................99 圖5.9 三種驅動電流下光明滅比提昇隨VP-P的變化................................100 圖5.10 經法布裏珀羅雷射反射後光明滅比提昇訊號眼圖(1.25 Gbps) (a) 原始輸入低光明滅比(b)原始輸入高光明滅比..............................101 圖5.11 光明滅比提昇最佳操作點未經過濾波器之輸出光頻譜 (a)最佳提昇效果之輸出光頻譜(b) DFB與FP-LD相對頻譜位置................101 圖5.12 不同光功率注入蝶型包裝法布裏珀羅雷射後輸出頻譜..............102 圖5.13 比較DFB直調與經過提昇後相同光明滅比之輸出光頻譜 (a)未經過高斯濾波器(b)經高斯濾波器......................................................103 圖5.14 不同光功率注入法布裏珀羅雷射後輸出頻譜(Condition II).......104 圖5.15 3D顯示不同光功率注入法布裏珀羅雷射後輸出頻譜.................105 圖5.16 蝶型包裝法布裏珀羅雷射輸出光頻譜..........................................105 圖5.17 實測光明滅比提昇之輸入光功率動態範圍..................................106 圖5.18 經法布裏珀羅雷射反射後光明滅比提昇效果(2.5 Gbps) (a)DFB雷射直接調變(VP-P=2 V) (b)光明滅比提昇後眼圖...........................107 圖5.19 實測2.5 Gbps光信號30分鐘內系統穩定度.................................108 圖5.20 比較低速與高速調變時暫態啁啾對系統之影響 (a)DFB雷射和濾波器頻譜特性(b)不同速率系統輸出光頻譜............................108 圖5.21 10 Gbps調變下之最佳光明滅比提昇眼圖 (a)DFB雷射直接調變(VP-P=2 V) (b)光明滅比提昇後眼圖...............................................109 圖5.22 10 Gbps調變速率下之最佳光明滅比提昇眼形圖 (a)DFB調變10 Gbps經析光器(b)光明滅比提昇後眼圖.........................................110 圖5.23 比較光信號經過半導體光放大器放大後之圖樣效應 (a)1.25 Gbps圖樣效應(b)10 Gbps圖樣效應........................................................110 圖5.24 10 Gbps調變速率下之最佳光明滅比提昇眼形圖(Condition I) (a) DFB直接調變(60 mA, VP-P=2 V) (b)光明滅比提昇後眼圖…..…111 圖5.25 多通道光明滅比提昇實驗架構圖(10 Gbps)..................................112 圖5.26 CH1在法布裏珀羅雷射小於臨界電流時光明滅比提昇 (a)光明滅比提昇前(b)光明滅比提昇後..........................................................113 圖5.27 CH2在法布裏珀羅雷射小於臨界電流時光明滅比提昇 (a)光明滅比提昇前(b)光明滅比提昇後..........................................................113 圖5.28 CH1光明滅比提昇誤碼率量測.......................................................114 圖5.29 CH2光明滅比提昇誤碼率量測.......................................................114 圖5.30 降低原始光明滅比再提昇之誤碼率量測(10 Gbps)......................115 圖6.1 資料抹除與光明滅比提昇原理........................................................118 圖6.2 半導體放大器之圖樣效應(1.25 Gbps) (a)注入高ER訊號(8 dB) (b)注入低ER訊號(3 dB)........................................................................119 圖6.3 半導體放大器之圖樣效應(10 Gbps) (a)注入高ER訊號(8 dB) (b)注入低ER訊號(3 dB)............................................................................119 圖6.4 最佳光明滅比提昇與抹平之眼形圖及光頻譜 (a)光明滅比提昇與抑制眼形圖(b)光明滅比提昇與抑制光頻譜....................................120 圖6.5 資料抹除供給RSOA再次調變系統架構…....................................121 圖6.6 單通道資料抹除實驗架構................................................................122 圖6.7 抹除10 Gbps、光明滅比為3 dB之訊號 (a)原始訊號眼形圖(b)資料抹除後眼形圖.....................................................................................123 圖6.8 大範圍與小範圍觀察資料抹除效果與頻譜對準條件 (a)Span = 30 nm (b)Span = 2 nm. .........................................................................124 圖6.9 資料抹除後供給RSOA再次調變架構圖........................................124 圖6.10 比較ER=3 dB與資料抹除注入RSOA再次調變後之眼形圖 (a)注入光明滅比為3 dB之訊號(b)注入資料抹除之訊號.....................125 圖6.11 比較資料抹除與未抹除低光功率注入RSOA再調變後之眼形圖 (a)注入光明滅比為3 dB之訊號(b)注入資料抹除之訊號............126 圖6.12 注入RSOA光功率與輸出光明滅比和訊號Q值關係..................126 圖6.13 比較高功率與低功率注入再調變後資料抹除的功率償付值......127 圖6.14 比較高功率與低功率洗資料再調變傳輸25 km的功率償付值 (a)高功率注入RSOA(b)低功率注入RSOA.......................................128 圖6.15 將法布裏珀羅雷射放置在光線路終端架構圖..............................129 圖6.16 雙通道資料抹除實驗架構圖..........................................................130 圖6.17 雙通道經25 km光纖後資料抹除眼形圖 (a)通道1(b)通道2......130 圖6.18 雙通道資料抹除經25km光纖注入RSOA再調變後眼形圖 (a)通道1(b)通道2.....................................................................................131 圖6.19 雙通道資料抹除再次調變後誤碼率量測......................................131 圖6.20 雙通道資料抹除再次調變後穩定度量測......................................132 圖7.1 光明滅比提昇與資料抹除WDM-PON系統……………………...135 表索引 表5.1 不同包裝類型與操作條件之改善特性比較....................................116[[note]]學號: 695440429, 學年度: 9