[[alternative]]Study on various light sources for injection-locking of fabry-perot laser diodes

碩士[[abstract]]被動光網路系統近期發展正朝向更高資料速率及遠距離傳輸，其中以分波多工被動光網路(Wavelength-Division-Multiplexed Passive Optical Network, WDM-PON)為最吸引人的方案。為了降低WDM-PON系統的成本，已有許多無色光源WDM-PON架構被提出。在光網路單元(Optical Network Unit)中，入射鎖模法布里-珀羅雷射二極體 (Injection-Locked Fabry-Perot Laser Diodes)已是一種非常普遍使用的無色光源。 因此在本論文中我們模擬不同光源於法布里-珀羅雷射二極體入射鎖模，探討不同光源在不同頻率失諧(Detune)上，旁模抑制比(Side Mode Suppression Ratio, SMSR)的變化，以及訊號雜訊之分析。模擬的結果顯示：在入射鎖模法布里-珀羅雷射二極體之SMSR為25dB及頻率失諧度為30GHz的要求下，再生光源、直調光源及明滅比(Extinction Ratio)提升光源對連續波光源之注入光功率比約為2.83倍。此外，在SMSR為25dB及注入光功率為0.1mW的要求下，連續波光源與其他同調光源在頻率失諧度之差距上有10GHz。連續波光源除外，在再生光源、直調光源及明滅比提升光源當中，又以明滅比提升光源較具優勢，無論在入射鎖模後主模之頻率偏移量以及雜訊方面都是最小的。然而，增幅自發放射(Amplified Spontaneous Emission)光源在討論的光源中，其入射鎖模的效能是最差的。[[abstract]]The latest development in passive optical network systems is evolving toward higher data rates and long-reach transmission distances, where wavelength-division-multiplexed passive optical networks (WDM-PONs) can be very attractive solutions. In order to reduce the cost of WDM-PON systems, many WDM-PON architectures with colorless light sources were proposed. An injection-locked Fabry-Perot laser diode (FP-LD) is a widespread colorless light source to be utilized at an optical network unit. Thus in this thesis we simulated different light sources for injection-locking of FP-LDs and discussed the characteristics such as injected optical power, frequency detune, side-mode suppression ratio (SMSR) and noise. The simulated results indicate that the injected optical power ratio of reusable light source, directly modulated light source and extinction-ratio-enhanced signal light source to continuous-wave light source is about 2.83 at the requirements of 25-dB SMSR and 30-GHz frequency detune. Additionally, the difference in frequency detune between continuous-wave light source and other coherent light sources there is 10GHz at the requirements of 25-dB SMSR and 0.1-mW injected optical power. Excluding continuous-wave light source, the extinction-ratio-enhanced signal light source has the best tolerance of frequency drift and noise compared with reusable light source and directly modulated light source. However, the amplified-spontaneous-emission light source has the worst performance of injection locking among the discussed light sources.[[tableofcontents]]目錄 第一章 簡介 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 8 1.3 論文架構 10 第二章 VPI及模擬之關鍵元件介紹 11 2.1 光通訊系統模擬軟體VPI簡介 11 2.2 關鍵元件介紹 13 2.2.1 法布里-珀羅雷射二極體(FP-LD) 13 2.2.2 分佈反饋雷射二極體(DFB-LD) 16 2.2.3 法布里-珀羅濾波器(FP-Filter) 19 第三章 法布里-珀羅雷射二極體入射鎖模原理與先前技術 21 3.1 原理介紹 21 3.2 先前技術 22 第四章 不同光源於法布里-珀羅雷射二極體入射鎖模之模擬結果 27 4.1 連續波光源於FP-LD入射鎖模之模擬結果 28 4.2 再生光源於FP-LD入射鎖模之模擬結果 32 4.3 直調光源於FP-LD入射鎖模之模擬結果 37 4.4 明滅比提升光源於FP-LD入射鎖模之模擬結果 43 4.5 增幅自發放射光源於FP-LD入射鎖模之模擬結果 49 4.6 不同光源於FP-LD入射鎖模之訊號品質分析 57 第五章 結論與未來研究方向 61 5.1 結論 61 5.2 未來研究方向 63 參考文獻 64 圖目錄 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2.1 Sample Mode運算順序之示意圖.........................12 圖2.2 Block Mode運算順序之示意圖..........................12 圖2.3法布里-珀羅共振腔之基本特性..........................15 圖2.4法布里-珀羅雷射之輸出光頻譜..........................15 圖2.5雷射二極體的增益與損失曲線...........................16 圖2.6單模態雷射二極體結構.................................17 圖2.7 DFB-LD之輸出光頻譜圖................................18 圖2.8光入射法布里-珀羅濾波器示意圖........................19 圖2.9法布里-珀羅濾波器之透射頻譜..........................20 圖3.1 FP-LD入射鎖模示意圖.................................22 圖3.2入射鎖模技術的應用I..................................23 圖3.3入射鎖模技術的應用II.................................24 圖3.4 入射鎖模技術的應用III...............................25 圖3.5 旁模抑制比與注入增幅自發放射光功率之關係............25 圖3.6 固定總光功率之下不同寬度光源的頻譜..................26 圖3.7入射鎖模技術的應用IV.................................26 圖4.1失諧之示意圖.........................................27 圖4.2 模擬連續波光源於FP-LD入射鎖模之架構圖...............28 圖4.3 L-I曲線(a)DFB-LD (b)FP-LD...........................29 圖4.4 FP-LD之光頻譜.......................................30 圖4.5 DFB-LD之光頻譜......................................30圖4.6旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=30GHz, 60GHz)....31 圖4.7連續波光源於FP-LD入射鎖模之光頻譜....................32 圖4.8模擬再生光源於FP-LD入射鎖模之架構圖..................33 圖4.9資料抹除眼形圖.......................................33 圖4.10資料抹除光頻譜......................................34 圖4.11旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=30GHz)..........35 圖4.12旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=60GHz)..........36 圖4.13再生光源於FP-LD入射鎖模之光頻譜.....................36 圖4.14連續波光源及再生光源於FP-LD入射鎖模之光頻譜.........37 圖4.15模擬直調光源於FP-LD入射鎖模之架構圖.................38 圖4.16原始光明滅比為4dB入射光之頻譜.......................38 圖4.17旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=30GHz)..........39 圖4.18旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=60GHz)..........40 圖4.19 直調光源於FP-LD入射鎖模之光頻譜....................41 圖4.20 連續波光源、再生光源及直調光源於FP-LD入射鎖模之光頻譜........................................................42 圖4.21模擬明滅比提升光源於FP-LD入射鎖模之架構圖...........44 圖4.22明滅比提升光頻譜....................................44 圖4.23明滅比提升眼形圖....................................45 圖4.24旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=30GHz)..........45 圖4.25旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=60GHz)..........46 圖4.26 明滅比提升光源於FP-LD入射鎖模之光頻譜..............48 圖4.27 連續波光源、再生光源、直調光源及明滅比提升光源於FP-LD入射鎖模光頻譜............................................48 圖4.28模擬增幅自發放射光源於FP-LD入射鎖模之架構圖.........50 圖4.29增幅自發放射光源之光頻譜圖..........................50 圖4.30旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=30GHz)..........51 圖4.31 WRC-FPLD之L-I曲線..................................52 圖4.32 WRC-FPLD之光頻譜圖.................................52 圖4.33旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=30GHz, 60GHz)...53 圖4.34增幅自發放射光源於WRC-FPLD入射鎖模之光頻譜..........54 圖4.35增幅自發放射光源於WRC-FPLD入射鎖模之光頻譜..........55 圖4.36旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=30GHz)..........56 圖4.37旁模抑制比與注入光功率之關係(Detune=60GHz)..........56 圖4.38入射鎖模法布里-珀羅雷射二極體之輸出光訊號圖(對準Deep).....................................................58 圖4.39入射鎖模法布里-珀羅雷射二極體之輸出光訊號圖(對準Bit 1)........................................................59 圖4.40入射鎖模法布里-珀羅雷射二極體之輸出光訊號圖(對準Bit 0)........................................................60 圖5.1 未來研究方向之架構圖................................63 表目錄 表4.1 失諧為30GHz下連續波光源、再生光源及直調光源所需的注入光功率大小與比值..........................................40 表4.2 失諧為30GHz下連續波光源、再生光源、直調光源及明滅比提升光源所需的注入光功率大小與比值..........................47 表5.1 模擬結果重要數值之列表(SMSR=25 dB, Freq. Detune=30GHz).............................................61[[note]]學號: 698440160, 學年度: 9