Ευρυζωνικά φωτονικά συστήματα παραγωγής και επεξεργασίας σήματος με ισχυρά μη γραμμικές οπτικές ίνες, με εφαρμογή σε τηλεπικοινωνίες και βιοϊατρική απεικόνιση

Abstract

The research work described in this thesis focuses on the development of photonic systems for the generation and processing of broadband signals, based on highly nonlinear optical fibers (HNLFs), with application to telecommunications and biomedical imaging. To this end, the first step is to identify the three main subsystem types which are used as the building blocks for the systems to be developed: short-pulse generation subsystem, HNLF-based subsystems implementing broadband functions and spectral selection subsystems. With respect to the short-pulse generation functionality, the design and implementation of three different subsystems is described and suitable applications are identified for each type according to their specific characteristics. Following this, research continues with HNLF-based subsystems for the generation and processing of broadband optical signals. The latest advances in HNLF fabrication technology are reviewed and the most suitable applications are identified for each HNLF type according to its characteristics. Based on the results of this study, a spectral broadening circuit and an optical switching circuit are designed. The spectral broadening circuit is based on the supercontinuum generation effect, which is described in detail, whereas a simulation model is developed in parallel, achieving precise matching with the experimental results. The optical switching circuit is designed as an interferometric all-optical switch, based on the Ultrafast Non-linear Interferometer (UNI) structure. Finally, spectral selection subsystems suitable for multi-wavelength sources are designed. The particular characteristics of the latest fabrication technologies for Fabry-Pérot optical filters are considered and the design parameters of the filters are calculated for each application, using a specially developed simulation model. As a preliminary evaluation stage, the spectral selection subsystems are implemented for the repetition-rate upgrade of pulsed lasers from 12.5 or 25 GHz to 50, 100, 200 and 400 GHz. At the next stage, three telecommunication subsystems are presented, based on the developed building blocks: a) Multi-wavelength continuous wave sources for optical DWDM networks, with channel spacing of 12.5, 25, 50, 100, 200 and 400 GHz, based on supercontinuum generation in a Photonic-Crystal Fiber HNLF with subsequent spectral selection in a Fabry-Pérot filter, b) Pulsed multi-wavelength source with 100 GHz repetition rate based on supercontinuum generation with subsequent spectral carving and c) All-optical 2x2 Exchange/Bypass switch based on a modified version of the UNI type interferometer, implemented with only 80 centimeters of bismuth HNLF. Finally the development of signal generation systems for biomedical imaging applications is described. A dual-wavelength optical source suitable for the generation of THz radiation with the photomixing technique is described (difference frequency generation - DFG). The optical source is also based on the supercontinuum generation effect, with subsequent isolation of two spectral components. Techniques for adjusting the frequency of the generated signal are presented and applied so as to tune the frequency of the implemented source to 396, 792 1188 and 2000 GHz. The possibility of modifying the optical DFG source for pulsed operation is investigated through numerical simulations.

Η έρευνα της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη φωτονικών συστημάτων παραγωγής και επεξεργασίας ευρυζωνικού σήματος, βασισμένων σε ισχυρά μη-γραμμικές οπτικές ίνες, για εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες και στη βιοϊατρική απεικόνιση. Σε πρώτο στάδιο προσδιορίζονται οι τρεις βασικοί τύποι υποσυστημάτων τα οποία αποτελούν δομικά στοιχεία για τα συστήματα που αναπτύσσονται στη συνέχεια: υποσυστήματα παραγωγής στενών οπτικών παλμών, υποσυστήματα βασισμένα σε ισχυρά μη-γραμμικές οπτικές ίνες για την υλοποίηση ευρυζωνικών λειτουργιών και υποσυστήματα φασματικής επιλογής. Συγκεκριμένα, περιγράφεται η σχεδίαση και υλοποίηση τριών υποσυστημάτων παραγωγής στενών οπτικών παλμών και προσδιορίζονται οι κατάλληλες εφαρμογές ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια, ερευνώνται υποσυστήματα παραγωγής και επεξεργασίας ευρυζωνικού οπτικού σήματος με ισχυρά μη-γραμμικές ίνες. Εξετάζονται οι κυριότερες σύγχρονες τεχνολογίες κατασκευής μη-γραμμικών ινών και προσδιορίζονται οι κατάλληλες εφαρμογές για κάθε τύπο ίνας με γνώμονα τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του. Κατόπιν, και με βάση τα συμπεράσματα της μελέτης, σχεδιάζεται κύκλωμα φασματικής διεύρυνσης καθώς και κύκλωμα οπτικής μεταγωγής. Το κύκλωμα φασματικής διεύρυνσης βασίζεται στο φαινόμενο παραγωγής υπερσυνεχούς φάσματος, το οποίο μελετάται διεξοδικά ενώ παράλληλα αναπτύσσεται προσομοιωτικό μοντέλο που προσεγγίζει με ακρίβεια τα πειραματικά αποτελέσματα. Το κύκλωμα οπτικής μεταγωγής σχεδιάζεται ως συμβολομετρικός αμιγώς-οπτικός διακόπτης, βασισμένος στη δομή του μη-γραμμικού συμβολομέτρου υπέρ-υψηλών ταχυτήτων τύπου UNI. Τέλος, σχεδιάζονται υποσυστήματα φασματικής επιλογής κατάλληλα για πολύ-κυματικές πηγές. Εξετάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των κυριότερων σύγχρονων τεχνολογιών κατασκευής περιοδικών φίλτρων Fabry-Pérot και προσδιορίζονται με ακρίβεια οι σχεδιαστικές παράμετροι των φίλτρων για κάθε εφαρμογή, με τη βοήθεια μοντέλου προσομοίωσης που αναπτύσσεται για αυτό το σκοπό. Σε πρώτη φάση, τα κυκλώματα φασματικής επιλογής υλοποιούνται για την αναβάθμιση του ρυθμού λειτουργίας παλμικού laser από τα 12.5 ή 25 GHz στα 50, 100, 200 και 400 GHz. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τρία συστήματα τηλεπικονωνιών βασισμένα στα παραπάνω δομικά στοιχεία: α) Πολύ-κυματικές οπτικές πηγές συνεχούς κύματος για οπτικά δίκτυα πολυπλεξίας DWDM, με απόσταση καναλιών 12.5, 25, 50, 100, 200 και 400 GHz, βασισμένες στο φαινόμενο δημιουργίας υπερσυνεχούς φάσματος σε μη-γραμμική ίνα φωτονικών κρυστάλλων με επακόλουθη φασματική επιλογή σε φίλτρο Fabry-Pérot, β) Πολύ-κυματική παλμική πηγή ρυθμού λειτουργίας 100 GHz βασισμένη στο φαινόμενο της παραγωγής υπερσυνεχούς φάσματος με επακόλουθη διαμόρφωση του φάσματος, και γ) Αμιγώς οπτικός διακόπτης μεταγωγής 2x2 βασισμένος σε τροποποιημένη αρχιτεκτονική του μη-γραμμικού συμβολομέτρου UNI, υλοποιημένος με μόλις 80 εκατοστά μη-γραμμικής ίνας τύπου βισμουθίου. Στη συνέχεια περιγράφεται η ανάπτυξη συστημάτων παραγωγής σήματος για εφαρμογές βιοϊατρικής απεικόνισης. Αναπτύσσεται διχρωματική οπτική πηγή κατάλληλη για παραγωγή ακτινοβολίας THz με την τεχνική της φωτομίξης (difference frequency generation - DFG). Η οπτική πηγή βασίζεται επίσης στο φαινόμενο της παραγωγής υπερσυνεχούς φάσματος, με επακόλουθη απομόνωση δύο φασματικών συνιστωσών. Παρουσιάζονται τεχνικές ρύθμισης της συχνότητας που παράγονται μέσω της οπτικής πηγής DFG και εφαρμόζονται στην πηγή που υλοποιήθηκε, ώστε να ρυθμιστεί η συχνότητα του παραγόμενου σήματος στις τιμές 396, 792 1188 και 2000 GHz. Τέλος, διερευνάται μέσω προσομοιώσεων η δυνατότητα τροποποίησης της οπτικής πηγής DFG για την επίτευξη παλμικής λειτουργίας.