Digital encoding of dither signals for biasing of lithium niobate optical modulators

Mach-Zehnder modulators are key components for the realization of telecommunication systems, since they allow to modulate the light coming from a laser though a voltage signal that can be shaped based on the desired modulation format. The basic mechanism, that composes this modulators class, consists in the refractive index modulation of the two Mach-Zehnder interferometer arms, while a low-frequency signal is used to bias the device in the desired working condition. To guarantee good performances of the modulation, it’s important that the Mach-Zehnder interferometer is locked in a proper working point, which is possible through the implementation of some feedback algorithms that control the status of the device. The implementation of a locking algorithm is crucial especially for Lithium Niobate optical modulators. This material is widely used thanks to its high electro-optic coefficient which enables the possibility of manufacturing devices with extremely high modulation frequencies. However, lithium niobate-based devices are affected by a drift of the target voltage needed to set the correct working condition. In fact, variation of external factors, such as temperature and humidity, as well as the application of a continuous voltage, lead to the refractive index variation of the optical waveguides composing the device. In literature several locking procedures have been reported, exploiting mainly dither signal which can be analog or digital, to induce a small perturbation on the device, thus to estimate its working point and to apply a proper correction. However, these solutions have some limitations in terms of resources, bandwidth, and noise when dealing with complex networks composed by many devices. In this work, I described an innovative approach based on the use of orthogonal digital dither signals. This method can be applied to network composed of several Mach-Zehnder modulators enabling the simultaneous control of their working points, where a simple and cost-effective configuration with a single optical detector is used, and the variation of its signal is exploited as feedback to control the bias voltages. During my thesis, I analysed the method from a theoretical point of view, and I simulated its behaviour. Then, I tested it on a real system: to do that, I built an experimental set-up with standard electro-optical instruments, I programmed a controller to implement the feedback control, and I performed several tests to compare the new method with the standard ones involving sinusoidal and squared dither signals. All the tests showed the efficacy of the proposed approach, which could be applied to systems where several modulators are in parallel, and a portion of their output optical signal is routed to a single detector. Finally, I studied the possibility of applying this approach to an IQ modulator, which is composed of two Mach-Zehnder modulators nested in a third Mach-Zehnder interferometer. In this case, the modulators are not in parallel, since the optical power at the system output depends on the interference of the fields coming from each interferometer. However, I developed an algorithm enabling the locking of this kind of device using orthogonal digital dither signals, and I experimentally proved its efficacy.

Codifica digitale di segnali di dither per il controllo del punto di lavoro di modulatori ottici in niobato di litio. I modulatori Mach-Zehnder sono dei dispositivi ottici fondamentali per la realizzazione dei sistemi di telecomunicazione in fibra ottica in quanto permettono di modulare un fascio ottico proveniente da un laser attraverso un segnale elettrico che implementa un qualsiasi formato di modulazione desiderato. Il principio base di funzionamento consiste nel modulare l’indice di rifrazione di due percorsi ottici che vanno a costituire questo tipo di modulatori, mentre un segnale a bassa frequenza è utilizzato per controllare il punto di lavoro desiderato del dispositivo (locking). Per ottenere delle buone performance di modulazione è importante garantire che il punto di lavoro dell’interferometro Mach-Zehnder sia quello corretto, questo è possibile grazie a sistemi retro azionati che controllano lo stato del dispositivo. L’implementazione dell’algoritmo di locking è fondamentale per i modulatori ottici in particolare per quelli realizzati in niobato di litio. Il niobato di litio è un materiale ampiamente utilizzato per il suo rilevante effetto elettroottico che permette di realizzare dispositivi in grado di modulare segnali ottici ad elevata frequenza. Tuttavia, i dispositivi realizzati in niobato di litio sono penalizzati da una traslazione del voltaggio target necessario per fissare il corretto punto di lavoro. Infatti, l’influenza di fattori esterni come la temperatura e l’umidità, così come l’applicazione di un voltaggio in continua portano a una variazione dell’indice di rifrazione delle guide ottiche che compongono il modulatore. Nella letteratura scientifica sono riportate diverse soluzioni di locking, che nella maggior parte dei casi sfruttano segnali di dither sia analogico che digitale, per attuare una piccola variazione nel dispositivo in modo tale da poter stimare il suo punto di lavoro e applicare un’opportuna correzione. Tuttavia, queste soluzioni presentano qualche limitazione in termini di risorse, banda, e rumore quando sono applicate a complesse strutture di reti composte da molti dispositivi. In questo progetto viene descritto un metodo innovativo basato sull’uso di segnali di dither digitali e ortogonali. Questo approccio può essere applicato a configurazioni composte da molti modulatori Mach-Zehnder permettendo il controllo simultaneo del loro punto di lavoro attraverso una configurazione semplice ed economicamente conveniente, dove l’utilizzo di un singolo rivelatore ottico e la variazione del suo segnale è usata come segnale di retroazione per controllare i punti di lavoro. Durante questo progetto il metodo di locking è stato dapprima analizzato dal punto di vista teorico, per poi simularne il suo funzionamento. Successivamente, è stato testato in un sistema reale realizzando un set-up ottico standard con strumentazione elettroottica. Ho programmato un controllore per implementare il sistema retro azionato e ho eseguito diversi test per comparare il nuovo metodo con quelli standard basati su segnali di dither sinusoidali e a onda quadra. Tutti i test hanno dimostrato l’efficacia del metodo proposto che può essere applicato a sistemi dove più modulatori sono in parallelo e dove solo una parte del loro segnale di uscita viene inviato al singolo rilevatore. Infine, è stata valutata la possibilità di applicare questo metodo a modulatori ottici IQ, che sono composti da due interferometri Mach-Zehnder in parallelo, concatenati con un terzo interferometro Mach-Zehnder. In questo caso i modulatori non sono in parallelo in quanto la potenza ottica di uscita dipende dall’interferenza dei campi elettrici provenienti da ciascun interferometro. Tuttavia, è stato possibile sviluppare un algoritmo che permette il locking di questi dispositivi usando segnali di dither digitali ed ortogonali, ed è stato verificato il loro funzionamento in modo sperimentale.