InAs/InP Quantum Dash Laser in L-Band Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Networks: Device and System Investigation. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation) Dissertation.pdf Restricted to Repository staff only until 12 May 2021. Download (80MB)

Arabic Abstract

تعتبر الشبكات الضوئية الغير نشطة المضاعفة بتقسيم الطول الموجي (WDM-PONs) أنها الشكل الأمثل للجيل القادم من الشبكات الضوئية الغير نشطة (NG-PONs) المستقبلية، والتي تظهر توقعات واعدة لتلبية الطلب المتزايد باستمرار لسعة شبكات الاتصالات وحركة الإنترنت. في هذه الرسالة تم دراسة ليزر خطوط زرنيخيد الإنديوم/فوسفات الإنديوم الكمية كمنافس مثالي لتلبية المتطلبات العديدة لتلك الشبكات الضوئية (NG-PONs) نظرًا لإشعاعه واسع النطاق في منطقة النطاق الطيفي الطويل (L-band) مما يسمح بتوسيع عرض النطاق الترددي المستخدم بعيدًا عن النطاق الطيفي التقليدي (C-band) المستنفذ للغاية بالإضافة إلى استيعاب المزيد من المشتركين في الشبكة لتقليل النفقات التأسيسية. تم إجراء هذه الدراسة على مستويين: مستوى الجهاز، ومستوى النظام. فعلى مستوى الجهاز تهدف الدراسة إلى تحري الآليات والظواهر المختلفة لليزر الخطوط الكمية للتحقق من فاعليته كمنصة قابلة للتطبيق في نقاط ومواضع مختلفة من الشبكات الضوئية المضاعفة بتقسيم الطول الموجي. أولاً، تم فحص الجهاز كمصدر للضوء قابل للضبط ليظهر مدى كلي لضبط الطول الموجي للإشعاع بما يعادل 30 نانومتر متجاوزًا بذلك أي مصدر مسجل آخر في النطاق الطيفي الطويل (L-band) بفضل منطقته النشطة الغير متجانسة. بعد ذلك، تم فحص ليزر الخطوط الكمية كجهاز مقسوم إلى جزئين مكوناً أجهزة متكاملة أخرى: ليزر مزود بمضخم بصري شبه موصل متكامل، وبمشكل طيفي شبه موصل متكامل. أظهر الجهاز الأول مقدار تضخيم يعادل 8.5 ديسيبل، بينما أظهر الأخير تحسينًا في سطح طيف الإشعاع مع توسيع بثلاثة أضعاف في عرض نطاقه الترددي. بعد ذلك، تم اختبار المنطقة النشطة لهيكل الخطوط الكمية من حيث خصائص الامتصاص الكهربائي (EA) وخصائص البصريات الكهربائية (EO) للتحقق من فعاليتها كمضمّنات في الشبكات الضوئية الغير نشطة المضاعفة بتقسيم الطول الموجي. توضح هذه الدراسة على مستوى الجهاز الآفاق المشرقة للتعيين الشامل لهيكل الخطوط الكمية كليزر موحد أحادي التركيب، قابل للضبط ، و مزود بمضخم ضوئي مدمج ومشكل طيفي ومضمّن (EA/EO) بشكل متكامل. في الجانب الآخر، على مستوى الجهاز، تم توظيف ليزر الخطوط الكمية لتحقيق أول عملية اتصالات ناجحة في شبكة اتصالات ضوئية مضاعفة بتقسيم الطول الموجي (WDM) في النطاق الطيفي الطويل (L-band) من خلال جهاز واحد فقط بمعدل بيانات إجمالي يبلغ 384 جيجابت/ثانية عبر ثلاث قنوات متزامنة في تضمين تغير الطور المتعامد ثنائي الاستقطاب بمساعدة التثبيت الحقني الضوئي لتعزيز خصائص عرض الخط الطيفي وخصائص الضوضاء لليزر الخطوط الكمية الغير متجانس.

English Abstract

Wavelength division multiplexed (WDM) passive optical networks (WDM-PONs) are perceived as the ultimate form of next-generation passive optical networks (NG-PONs) that show promising outlooks in meeting the ever-growing demand of telecommunication capacities and internet traffic. In this dissertation, an InAs/InP quantum dash laser is investigated as an ideal contender to satisfy various requirements of (NG-PONs), owing to is broadband emission in the L-band region, which allows for expanding the utilizable bandwidth away from the over-exhausted C-band in addition to accommodating more network subscribers for less capital expenditure. This study is carried out in two levels: device-level and system-level. The device level investigation aims to explore different mechanisms and phenomena of the quantum dash laser to validate its potential as a viable platform at different points and elements of the WDM-PON. Firstly, the device is inspected as a tunable light source showing a total emission-wavelength tuning range of ~30 nm exceeding any other reported source in the L-band thanks to its inhomogeneous active region. Thereafter, the quantum dash laser is investigated in a two-sectioned configuration to realize other monolithic devices, viz., a laser with an integrated semiconductor optical amplifier, and with an integrated semiconductor spectrum shaper. The former device showed an amplification gain of ~8.5 dB while the latter demonstrated enhancement in the spectrum top-profile with a three-fold broadening in its bandwidth. Thereafter, the active region of the quantum dash structure is examined in terms of its electro-absorption (EA) and electro-optic (EO) characteristics for potential realization of EA- and EO-modulators in WDM-PONs. This device-level investigation demonstrates the bright prospects of the mass-deployment of the quantum dash structure as a unified monolithic tunable-laser with integrated optical-amplifier, spectrum-shaper, and EA/EO-modulator. On another front, at the system level, the quantum dash laser is employed to achieve the first demonstration of WDM transmission in the L-band over a single transmitter with an aggregate data rate of 384 Gbit/s with three simultaneous channels in dual-polarization quadrature phase-shift keying modulation scheme with the aid of optical injection-locking to enhance the linewidth and noise characteristics of the highly inhomogeneous quantum dash laser.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Physics Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Qureshi, Khurram
Committee Co-Advisor:	Khan, M. Zahed M.
Committee Members:	Al-Ghadban, Samir and Yilbas, Bekir and Ooi, Boon
Depositing User:	Dr. Emad Alkhazraji
Date Deposited:	14 May 2020 20:05
Last Modified:	14 May 2020 20:05
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141539