Investigations on Ultrafast
Fiber-based Optical Gates
Vorgelegt von
Vincent Marembert
Von der Fakult¨at IV (Elektrotechnik und Informatik)
der Technischen Universit¨at Berlin
zur Verleihung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaft
Dr.-Ing.
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Pr. Dr.-Ing. Ernst Obermeier
Berichter: Pr. Dr.-Ing. Klaus Petermann
Berichter: Pr. Dr. rer. nat. Hans-Georg Weber
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 26. Juni 2006
Berlin 2006
D 83
Abstract
This work presents investigations carried out on two optical gates based on
Dispersion-Shifted Highly Nonlinear Fibers (DS-HNLFs).
In the Nonlinear Optical Loop Mirror (NOLM) and in the so-called Kerr
gate, based on the Kerr effect, the phase of a data pulse is modulated by a
control pulse through Cross-Phase Modulation (XPM). The induced phase shift
is converted into an amplitude modulation by using an interferometric setup.
As nonlinear effects are extremely fast in optical fibers, the NOLM and the Kerr
gate are candidates of choice for all-optical signal processing in Time-Division
Multiplexing (TDM) systems.
The efficiency of such an optical gate can be evaluated by measuring the
phase shift induced by the control signal, or by directly measuring the so-called
switching window of the gate, which represents the evolution of the transmit-
tance of the gate over the time. Both measurements are carried out in this work,
and various DS-HNLFs were used. The influence of experimental parameters
such as the fibers parameters and the data and control signals properties is dis-
cussed. In accordance with theoretical expectations, the NOLM proved to work
more efficiently than the Kerr gate, as with the NOLM, a lower control power
is required to reach a given phase shift or a given switching windows than with
the Kerr gate.
Finally, both gates were used in high bit-rates TDM experiments. Operated
under the same conditions, the NOLM and the Kerr gates could demultiplex
a 320 Gbit/s TDM data signal to 40 Gbit/s with low penalties. The NOLM
was also used to demultiplex a 640 Gbit/s signal, while the Kerr gate took
advantage of its different principle of operation in an Add-Drop Multiplexing
(ADM) experiment with a data rate up to 320 Gbit/s.
Used in combination with DS-HNLFs, the NOLM and the Kerr gate offer
the potential for high-speed optical signal processing with simple, commercially
available fiber components.
i
Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurden zwei optische Schalter basierend auf Dispersion-verscho-
bener Hoch-Nichtlinearer Faser (Dispersion-Shifted Highly Nonlinear Fibers)
untersucht. In dem Nonlinear Optical Loop Mirror (NOLM) und in dem Kerr
Schalter wird die Phase eines optischen Datenpulses durch Kreuzphasenmodu-
lation (XPM) moduliert. XPM wird von einem zusammen mit dem Datenpuls
propagierenden Steuerpuls induziert. Die Phasen¨anderung kann in eine Ampli-
tuden¨anderung umgewandelt werden, wenn XPM in einem interferometrischen
Aufbau ausgentzt wird. Da die Geschwindigkeit des XPM-Effektes in der Gr¨os-
senordnung von einigen Femtosekunden liegt, eignen sich der NOLM und der
Kerr Schalter f¨ur die rein optische Hoch-Geschwindigkeit Signalverarbeitung in
Optical Time Division Multiplexing (OTDM) Netzwerken.
Die Phasen¨anderung wurde f¨ur beide Schalter gemessen, sowie das Schalt-
fenster, das den Verlauf des Transmittance ¨uber die Zeit darstellt. Der Einfluss
von Parametern wie die Fasereigenschaften, und die Steuer- sowie Datenpuls-
Eigenschaften (Wellenl¨angen, optische Leistungen) wurden experimentell un-
tersucht. Den theoretischen Erwartungen entsprechend, erwies sich der NOLM
als ein effektiverer Schalter im Vergleich zum Kerr Schalter, da eine gewisse
Phasen¨anderung bzw. ein gewisses Schaltfenster mit weniger Steuerpulsleistung
erreicht wird mit dem NOLM als mit dem Kerr Schalter.
Basierend auf diesen Untersuchungen wurden beide Schalter in OTDM-
Anwendungen eingesetzt. Betrieben unter gleichen Bedingungen konnten der
NOLM und der Kerr Schalter ein 320 Gbit/s Datensignal auf 40 Gbit/s de-
multiplexen, mit einer geringen Penalty. Die NOLM wurde benutzt, um ein
640 Gbit/s Datensignal zu demultiplexen. Aufgrund seiner Anordnung, der
Kerr Schalter konnte in einem Add-Drop Multiplexing (ADM) Experiment mit
Datenraten bis 320 Gbit/s benutzt werden.
Der NOLM und der Kerr Schalter, die in dieser Arbeit untersucht werden,
basieren auf kommerziell erh¨altlichen optischen Komponente und eignen sich
f¨ur die rein optische Hoch-Geschwindigkeit Datenverarbeitung.
ii
Contents
1 Introduction 1
1.1 Optical Gates for High-Speed Signal Processing . . . . . . . . . . 1
1.2 Motivation and Objectives of this Work . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Outline of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Basics of Fiber-based Switching 6
2.1 Properties of Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Pulse Propagation in Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Cross-Phase Modulation in Fibers and All-Optical Switching . . 16
2.4 Four-Wave Mixing in Fibers and All-Optical Switching . . . . . . 17
2.5 Walk-Off................................ 20
2.6 Pump-Probe Characterization of Optical Switching Devices . . . 21
3 Gates based on Highly Nonlinear Fibers 26
3.1 Nonlinear Optical Loop Mirror (NOLM) . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.1 Basics of the NOLM Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.2 Measurements of induced Phase Shift . . . . . . . . . . . 29
3.1.3 Measurements of Switching Windows . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Kerr gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1 Basics of the Kerr Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Measurements of induced Phase Shift . . . . . . . . . . . 42
3.2.3 Measurements of Switching Windows . . . . . . . . . . . . 43
3.2.4 Experimental Setup for Parametric Amplification mea-
surement ........................... 47
3.3 Bit Error Rate Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Requirements for a demultiplexer up to 640 Gbit/s . . . . . . . . 54
3.5 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4 Applications in High Speed OTDM-Systems 61
4.1 Demultiplexing 640 Gbaud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Add-Drop Multiplexing at 160 Gbit/s and 320 Gbit/s . . . . . . 69
4.2.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
iii
5 Conclusion 79
Bibliography 81
A Appendix 86
A.1 Fibers used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
A.2 Optical pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
B List of Symbols and Abbreviations 88
C Publications by the Author 91
D Acknowledgements 95
E Curriculum Vitae 97
iv
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