Optical sampling based on Mach-Zehnder interferometer with semiconductor optical amplifiers (SOA-MZI) for analog applications

Abstract

Photonic sampling is a process employed in various state-of-the-art systems, since it permits a unique combination of advantages such as the low temporal jitter, the low-loss, high bandwidth and immunity to electromagnetic interference (EMI). This thesis aims at investigating and showing the feasibility of using the SOA-MZI module, a purely photonic device, as a photonic sampler in place of other electro-optic solutions, circumventing the need for additional slow and costly electro-optic conversions. The Switching and Modulation architectures are possible with the SOA-MZI photonic sampler. The major advantage of the Modulation architecture is that it enables the use of very high sampling rates. Employing the Modulation architecture, a post-distortion linearization method is formulated and validated. Experimentally, significant Total Harmonic Distortion (THD) improvement between 7 dB and 23 dB is observed for sinusoidal signals to be sampled at frequencies between 0.25 GHz and 2 GHz. The SOA-MZI photonic sampler, employed as a photonic up-converter, is theoretically examined by developing a small-signal analysis model, and experimentally validated using Switching and Modulation architectures in terms of Conversion Gain (CG). A CG equal to 16 dB is achieved for the 1 GHz to 9 GHz conversion, while a CG equal to 9 dB for the 1 GHz to 39 GHz conversion. A bit rate up to 1 Gbps is reached for up-converted data of complex modulation formats.

Η φωτονική δειγματοληψία είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται σε διάφορα συστήματα τελευταίας τεχνολογίας, καθώς επιτρέπει έναν μοναδικό συνδυασμό πλεονεκτημάτων, όπως την χαμηλή διακύμανση χρονισμού, την μικρή εξασθένηση, το υψηλό εύρος ζώνης και την ανοσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στη διερεύνηση και την επίδειξη της σκοπιμότητας χρήσης του SOA-MZI, ενός αμιγώς φωτονικού δομοστοιχείου, ως φωτονικού δειγματολήπτη στη θέση άλλων ηλεκτροοπτικών λύσεων, παρακάμπτοντας την ανάγκη για πρόσθετες αργές και δαπανηρές ηλεκτροοπτικές μετατροπές. Οι αρχιτεκτονικές Switching και Modulation είναι δυνατές με τον φωτονικό δειγματολήπτη SOA-MZI. Το κύριο πλεονέκτημα της αρχιτεκτονικής Modulation είναι ότι επιτρέπει τη χρήση πολύ υψηλών ρυθμών δειγματοληψίας. Χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική Modulation, μια μέθοδος γραμμικοποίησης με μετεπεξεργασία αναπτύσσεται και επικυρώνεται. Πειραματικά, παρατηρείται σημαντική βελτίωση της Ολικής Αρμονικής Παραμόρφωσης (THD) μεταξύ 7 dB και 23 dB για ημιτονοειδή σήματα προς δειγματοληψία με συχνότητες μεταξύ 0,25 GHz και 2 GHz. Ο φωτονικός δειγματολήπτης SOA-MZI, χρησιμοποιούμενος ως φωτονικός μίκτης συχνότητας, εξετάζεται θεωρητικά αναπτύσσοντας ένα μοντέλο ανάλυσης μικρού σήματος και επικυρώνεται πειραματικά για τις αρχιτεκτονικές Switching και Modulation για το μετρικό του Κέρδους Μετατροπής (CG). CG ίσο με 16 dB επιτυγχάνεται για τη μετατροπή από 1 GHz σε 9 GHz, ενώ CG ίσο με 9 dB για τη μετατροπή από 1 GHz σε 39 GHz. Ρυθμός δεδομένων έως και 1 Gbps επιτυγχάνεται για δεδομένα διαμορφωμένα με σύνθετες μεθόδους διαμόρφωσης που έχουν μετατραπεί σε υψηλότερες συχνότητες.

L'échantillonnage optique est une fonction utilisée dans divers systèmes de pointe, car il permet une combinaison unique d'avantages tels que la faible gigue temporelle, les faibles pertes, une bande passante élevée et l'immunité aux interférences électromagnétiques (EMI). Cette thèse vise à étudier et à montrer la viabilité d'utiliser un SOA-MZI, un dispositif purement photonique, comme échantillonneur photonique au lieu d'autres solutions électro-optiques, en évitant les lentes et coûteuses conversions électro-optiques supplémentaires. Les architectures de commutation et de modulation sont possibles avec l'échantillonneur SOA-MZI. L'avantage majeur de l'architecture de modulation est qu'elle permet d'utiliser un taux d'échantillonnage très élevé. Utilisant l'architecture de modulation, une méthode de linéarisation par post-distorsion est formulée et validée. Expérimentalement, une amélioration significative de la distorsion harmonique totale (THD) entre 7 dB et 23 dB est observée pour des signaux sinusoïdaux à échantillonner à des fréquences entre 0,25 GHz et 2 GHz. L'échantillonneur SOA-MZI, utilisé comme convertisseur photonique de fréquence, est examiné théoriquement en développant un modèle d'analyse de petits signaux et validé expérimentalement à l'aide des architectures de commutation et de modulation, en termes de gain de conversion (CG). Un CG égal à 16 dB est obtenu pour la conversion de 1 GHz à 9 GHz, tandis qu'un CG égal à 9 dB pour la conversion de 1 GHz à 39 GHz. Un débit binaire jusqu'à 1 Gbps est atteint pour des données en formats de modulation complexes converties.