Semiconductor optical amplifiers made of ridge waveguide bulk InGaAsP/Inp experimental ...

203 Pages·2002·1.91 MB·English

ETH Library
Semiconductor optical amplifiers
made of ridge waveguide bulk
InGaAsP/Inp
experimental characterisation and numerical
modelling of gain, phase, and noise
Doctoral Thesis
Author(s):
Occhi, Lorenzo
Publication date:
2002
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-004453439
Rights / license:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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Diss. ETH No. 14788
Semiconductor Optical Amplifiers
made of Ridge Waveguide
Bulk InGaAsP/InP:
Experimental Characterisation and
Numerical Modelling of
Gain, Phase, and Noise
Dissertation
submitted to the
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
for the degree of
Doctor of Technical Sciences
presented by
Lorenzo Occhi
Dipl. El. Ing. ETH
born on March 13 , 1973
th
citizen of Arbedo–Castione TI, Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Georg Guekos, examiner
Prof. Dr. Henry Baltes, co–examiner
Zurich 2002

"I hear and I forget,
I see and I remember,
I do and I understand."
(K’ung Fu Tzu, 551-479 B.C. [1])
Ai miei.

Contents
Tableof contents v
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Abstract ix
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Sintesi xi
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Zusammenfassung xiii
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Version abrégée xv
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Resumaziun xvii
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1. Introduction 1
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.1 Opticalfibre communication 1
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.2 Theroleof semiconductoropticalamplifiersin opticalcommunications 3
1.3 Outline 8
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
1.4 Originalresultsin thisthesis 9
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2. Semiconductor Optical Amplifiers 13
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.1 Introduction 13
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.2 Historicaldevelopment 14
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.3 Structuresandmaterials: stateof theart 14
: : : : : : : : : : : : : : :
2.3.1 Waveguidestructure andthe issue of polarisationdependence 14
2.3.2 Opticalfeedback 15
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.3.3 Couplingefficiencyto fibres 16
: : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.3.4 Materials 16
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.3.5 SOAtypes 17
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.4 TheSOAversus otheropticalamplifiertypes 18
: : : : : : : : : : : : :
2.5 TheSOAs usedin thiswork 19
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.6 SOAmodelling 20
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.7 Modelsused in thiswork 27
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
2.8 Conclusion 31
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
vi Contents
3. Amplified Spontaneous Emission, Gain, and Noise Figure 33
: : : : : :
3.1 Introduction 33
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.2 Therole of theactive regionlengthon the freecarrier distribution 34
: : :
3.3 Amplifiedspontaneousemission 38
: : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.3.1 ASE outputpower 39
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.3.2 ASE spectra 42
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.4 Gain 45
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.4.1 Small signalgain 46
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.4.2 Outputsaturationpower 48
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.4.3 Biascurrent dependence 49
: : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.4.4 Wavelengthdependence 51
: : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.4.5 Gain parameterestimationfromtheASE 52
: : : : : : : : : : :
3.5 Noise figure 55
3.5.1 Theor:ya:n:d:de:fi:ni:tio:ns: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.5.2 Measurementof theNF 58
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.5.3 Experimentalresults 59
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
3.5.4 Transmission example: a chainof SOA 62
: : : : : : : : : : : :
3.6 Conclusion 64
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4. Gain Dynamics 67
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.1 Introduction 67
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.2 Carrierdynamics 68
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.3 Interbandgaindynamics 71
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.4 Intrabandgaindynamics 73
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.4.1 Modelling 73
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.4.2 Measurementsetup 75
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.4.3 Experimentalresults 78
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
4.4.4 Numericalresults 84
4.5 Conclusion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 88
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5. Phase Dynamics 91
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.1 Introduction 91
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.2 Modelling 93
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.3 Theexperimentaldeterminationof the effective -factor 99
(cid:11) : : : : : : :
5.3.1 Measurementtechniquesandexperimentalsetup 99
: : : : : : :
5.3.2 Experimentalresults 102
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
5.4 Chirpin SOA-basedwavelengthconversion 108
: : : : : : : : : : : : : :
5.4.1 Measurementtechniquesandexperimentalsetup 110
: : : : : : :
5.4.2 Chirp in XGM 111
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Contents vii
5.4.3 Chirp inXPM 114
5.4.4 Chirp inFWM : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 117
5.4.5 Comparison : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 119
5.5 Conclusion : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 121
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
6. Conclusions and outlook 123
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Appendix 127
A. SOA Modelling 129
A.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 129
A.2 SOAModelfr:am: e: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 129
A.3 SectionModel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 132
A.3.1 Wavespro:p:ag:a:tio:n:in:th:e:se:c:tio:n: : : : : : : : : : : : : : : : 132
A.3.2 Gain andPhase : : : : : : : : : : : : : : : 134
A.3.3 Rate Equation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 135
A.3.4 Temperaturede:pe:n:de:n:ce: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 138
A.4 SimplifyingAssumption : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 139
A.5 SimulationParameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 140
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
B. Experimental Arrangements 143
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
C. List of symbols 147
C.1 Constants : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 147
C.2 Symbols : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 147
C.3 Acronyms : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 151
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Bibliography 154
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Acknowledgements 175
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
List of publications 179
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
Curriculum Vitæ 183
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
viii Contents
Abstract
Fibre optic communications are growing at a very fast rate. Since the reali-
sation of practically usable optical (cid:28)bres for telecommunications in the 70’s,
the transmitted data over optical cables increased at an average rate of 50%
per year. Today more and more data representing information coming from
varioussources such as audio, video, and computers are transmittedoptically.
However, the huge signal bandwidth inherent to optical (cid:28)bres is not yet
fullydeployed. Onereasonisthelimitationdeterminedbytheelectronicsused
to process the data before and after the transmission. A way to overcomethis
limitation is represented by the so-called all-optical signal processing. Basic
functions such as optical ampli(cid:28)cation, demultiplexing, switching, or routing
can be, in principle, achieved in the optical domain at much higher speeds
than in the electronic domain. Up to now, in the newest commercial systems
only few functionalities such as ampli(cid:28)cation and wavelength demultiplexing
are performed in the optical domain. Most of the signal processing is still
done by electronics. When the data rates will increase beyond the limits
of electronics and when optical components will be mature enough to be an
economicallyviable alternative, it is foreseeable that more and more network
functionalities will be done in the optical domain. Networks where only all-
optical signal processing is present are called all-optical networks.
For this kind of networks, fast, simple, (cid:29)exible, reliable, and cheap optical
componentsarerequired. SuchakeycomponentistheSemiconductorOptical
Ampli(cid:28)er (SOA).
Thiswork focuses on the experimentaland numericalanalysisof SOAs. In
particularwe investigateInGaAsP/InP bulk devices and their characteristics,
which are relevant for application in (cid:28)bre optic communications.
We start by showing the versatility of SOAs and give a list of the demon-
strated functionalitiesbased on these devicesthat are relevantfor (cid:28)bre optics.
A brief overview of the SOAs structures, materials and fabrication issues is
then outlined. After describing the devices characterised here, we discuss the
most common approaches used to model SOAs.