Title: Study of the chirp phenomenon in vertical cavity surface emitting lasers for optical communications in data centers
Vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are key components in short-reach optical communication systems with great interest in data centers due to their small footprint, low power consumption, and high modulation speeds. However, the frequency chirping parameter along with the dispersion-induced waveform distortion is one critical limiting factor which affects the performance of the VCSELs, leading to the degradation of signal integrity. Overcoming these challenges is essential for achieving optical links that extend beyond 2km, paving the way for VCSEL technology to support a wide range of applications for the new generation of data center networks. To that end, this thesis aims to investigate the behavior and limitations of VCSELs in optical data communication systems, with a particular focus on the chirp phenomenon and its impact on system-level performance. In addition, this thesis will focus on simulating the complete optical communication link which includes the VCSEL as transmitters, the fiber optic transmission and the receiver end. As a next step, the two main frequency chirping categories which are the transient- and adiabatic-chirp will be examined and incorporated into the simulations. Following this, the correlation of the dispersion with the frequency chirping will be examined and the dispersion-induced waveform distortion will be simulated. The basic modeling and simulation study will be performed in the Matlab programming environment. Additional simulations will be performed using the VPI Photonics software platform to confirm the preliminary results of the thesis. Finally, the simulation results will be evaluated through experimental measurements, highlighting the practical impact of the theoretical analysis conducted in this thesis.
Minimum completion time: 4–6 months
Relevant background:
- MATLAB programming environment
- General principles of photonic technology
Τίτλος: Μελέτη του φαινομένου chirp σε λέιζερ κάθετης κοιλότητας για επικοινωνίες σε κέντρα δεδομένων
Τα λέιζερ εκπομπής κάθετης κοιλότητας (VCSEL) είναι βασικά στοιχεία σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών για μικρές αποστάσεις με μεγάλο ενδιαφέρον για εφαρμογές που σχετίζονται με κέντρα δεδομένων λόγω των μικρών διαστάσεών τους, της χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και των υψηλών ταχυτήτων διαμόρφωσης. Ωστόσο, το φαινόμενο chirp μαζί με την παραμόρφωση που προκαλείται από τη διασπορά είναι ένας κρίσιμος περιοριστικός παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση των VCSELs, οδηγώντας σε υποβάθμιση της ποιότητας του σήματος. Η υπέρβαση αυτών των προκλήσεων είναι απαραίτητη για την επίτευξη οπτικών διασυνδέσεων που εκτείνονται πέραν των 2 χιλιομέτρων, ανοίγοντας το δρόμο για την τεχνολογία των VCSELs να υποστηρίξουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στα κέντρα δεδομένων της νέα γενιάς. Η παρούσα διπλωματική στοχεύει στη διερεύνηση της συμπεριφοράς και των περιορισμών των VCSELs στα οπτικά συστήματα επικοινωνίας δεδομένων, με ιδιαίτερη έμφαση στο φαινόμενο chirp και στο αντίκτυπο που επιφέρει σε επίπεδο συστήματος. Επιπλέον, η παρούσα διπλωματική θα επικεντρωθεί στην προσομοίωση μιας πλήρους οπτικής ζεύξης, η οποία θα περιλαμβάνει το VCSEL ως πομπό, τη μετάδοση μέσω οπτικής ίνας καθώς και τη προσομοίωση του δέκτη. Ως επόμενο βήμα, θα εξεταστούν και θα ενσωματωθούν στις προσομοιώσεις οι δύο κύριες κατηγορίες chirp που είναι το transient- και το adiabatic-chirp. Στη συνέχεια, θα εξεταστεί η συσχέτιση της διασποράς με το chirp και θα προσομοιωθεί η παραμόρφωση που προκαλείται από τη διασπορά. Η βασική μελέτη μοντελοποίησης και προσομοίωσης θα πραγματοποιηθεί σε περιβάλλον προγραμματισμού Matlab. Επιπλέον, θα πραγματοποιηθούν προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα VPI Photonics για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων με τα αρχικά στάδια της εργασίας. Τέλος, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θα αξιολογηθούν μέσω πειραματικών μετρήσεων, αναδεικνύοντας το αντίκτυπο της θεωρητικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία.
Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης της εργασίας: 4-6 μήνες.
Χρήσιμες Γνώσεις:
- Προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab
- Γενικές αρχές φωτονικής τεχνολογίας
Επικοινωνία:
Γεώργιος Μέγας gmegas@mail.ntua.gr
Ευστάθιος Ανδριανόπουλος efand@mail.ntua.gr