Nonlinearly generated advanced pulse waveforms for optical signal processing

Nonlinear phenomena occurring in optical fibres have many attractive features and great, but not yet fully explored potential in signal processing. Here, we review recent progress on the use of fibre nonlinearities for the generation and shaping of optical pulses, and on the applications of advanced pulse waveforms in all-optical signal processing. Among other topics, we will discuss ultrahigh repetition-rate pulse sources, the generation of parabolic-shaped pulses in active and passive fibres, the generation of pulses with triangular temporal profiles, and coherent supercontinuum sources. The signal processing applications will span optical regeneration, linear distortion compensation, optical decision at the receiver in optical communication systems, spectral and temporal signal doubling, and frequency conversion. © 2012 IEEE.

Spatial-spectral flexible optical networking:enabling switching solutions for a simplified and efficient SDM network platform

The traffic carried by core optical networks grows at a steady but remarkable pace of 30-40% year-over-year. Optical transmissions and networking advancements continue to satisfy the traffic requirements by delivering the content over the network infrastructure in a cost and energy efficient manner. Such core optical networks serve the information traffic demands in a dynamic way, in response to requirements for shifting of traffics demands, both temporally (day/night) and spatially (business district/residential). However as we are approaching fundamental spectral efficiency limits of singlemode fibers, the scientific community is pursuing recently the development of an innovative, all-optical network architecture introducing the spatial degree of freedom when designing/operating future transport networks. Spacedivision- multiplexing through the use of bundled single mode fibers, and/or multi-core fibers and/or few-mode fibers can offer up to 100-fold capacity increase in future optical networks. The EU INSPACE project is working on the development of a complete spatial-spectral flexible optical networking solution, offering the network ultra-high capacity, flexibility and energy efficiency required to meet the challenges of delivering exponentially growing traffic demands in the internet over the next twenty years. In this paper we will present the motivation and main research activities of the INSPACE consortium towards the realization of the overall project solution. © 2014 Copyright SPIE.

Towards the distributed core for ubiquitous superfast broadband optical access

In this paper, we describe recent architectural and technological advances of the end to end optical network architecture proposed by the DISCUS project (the DIStributed Core for unlimited bandwidth supply for all Users and Services). The two main targets of DISCUS are the principle of equivalence in the access and the reduction of optical-to-electronic conversions in the metro-core network. Technological advances and techno-economic evaluation of Long-Reach Passive Optical Networks (LR-PON), as well as the optimal metro-core node architecture and the required network control plane framework are reported. Network infrastructure sharing challenges are also discussed. © 2014 IEEE.

SDN enabled dynamically reconfigurable high capacity optical access architecture for converged services

Dynamically reconfigurable time-division multiplexing (TDM) dense wavelength division multiplexing (DWDM) long-reach passive optical networks (PONs) can support the reduction of nodes and network interfaces by enabling a fully meshed flat optical core. In this paper we demonstrate the flexibility of the TDM-DWDM PON architecture, which can enable the convergence of multiple service types on a single physical layer. Heterogeneous services and modulation formats, i.e. residential 10G PON channels, business 100G dedicated channel and wireless fronthaul, are demonstrated co-existing on the same long reach TDM-DWDM PON system, with up to 100km reach, 512 users and emulated system load of 40 channels, employing amplifier nodes with either erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) or semiconductor optical amplifiers (SOAs). For the first time end-to-end software defined networking (SDN) management of the access and core network elements is also implemented and integrated with the PON physical layer in order to demonstrate two service use cases: a fast protection mechanism with end-to-end service restoration in the case of a primary link failure; and dynamic wavelength allocation (DWA) in response to an increased traffic demand.

Wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for advanced modulation formats

Les convertisseurs de longueur d’onde sont essentiels pour la réalisation de réseaux de communications optiques à routage en longueur d’onde. Dans la littérature, les convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur constituent une solution extrêmement intéressante, et ce, en raison de leurs nombreuses caractéristiques nécessaires à l’implémentation de tels réseaux de communications. Avec l’émergence des systèmes commerciaux de détection cohérente, ainsi qu’avec les récentes avancées dans le domaine du traitement de signal numérique, il est impératif d’évaluer la performance des convertisseurs de longueur d’onde, et ce, dans le contexte des formats de modulation avancés. Les objectifs de cette thèse sont : 1) d’étudier la faisabilité des convertisseurs de longueur d’onde basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur pour les formats de modulation avancés et 2) de proposer une technique basée sur le traitement de signal numérique afin d’améliorer leur performance. En premier lieu, une étude expérimentale de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation d’amplitude en quadrature (quadrature amplitude modulation - QAM) est réalisée. En particulier, la conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 16 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud dans un amplificateur optique à semi-conducteur commercial est réalisée sur toute la bande C. Les résultats démontrent qu’en raison des distorsions non-linéaires induites sur le signal converti, le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est différent de celui obtenu lors de la conversion de longueur d’onde de formats de modulation en intensité. En effet, dans le contexte des formats de modulation avancés, c’est le compromis entre la puissance du signal converti et les non-linéarités induites qui détermine le point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde. Les récepteurs cohérents permettent l’utilisation de techniques de traitement de signal numérique afin de compenser la détérioration du signal transmis suite à sa détection. Afin de mettre à profit les nouvelles possibilités offertes par le traitement de signal numérique, une technique numérique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti, basée sur une analyse petit-signal des équations gouvernant la dynamique du gain à l’intérieur des amplificateurs optiques à semi-conducteur, est développée. L’efficacité de cette technique est démontrée à l’aide de simulations numériques et de mesures expérimentales de conversion de longueur d’onde de signaux 16-QAM à 10 Gbaud et 64-QAM à 5 Gbaud. Cette méthode permet d’améliorer de façon significative les performances du convertisseur de longueur d’onde, et ce, principalement pour les formats de modulation avancés d’ordre supérieur tel que 64-QAM. Finalement, une étude expérimentale exhaustive de la technique de post-compensation des distorsions induites sur le signal converti est effectuée pour des signaux 64-QAM. Les résultats démontrent que, même en présence d’un signal à bruité à l’entrée du convertisseur de longueur d’onde, la technique proposée améliore toujours la qualité du signal reçu. De plus, une étude du point d’opération optimal du convertisseur de longueur d’onde est effectuée et démontre que celui-ci varie en fonction des pertes optiques suivant la conversion de longueur d’onde. Dans un réseau de communication optique à routage en longueur d’onde, le signal est susceptible de passer par plusieurs étages de conversion de longueur d’onde. Pour cette raison, l’efficacité de la technique de post-compensation est démontrée, et ce pour la première fois dans la littérature, pour deux étages successifs de conversion de longueur d’onde de signaux 64-QAM à 5 Gbaud. Les résultats de cette thèse montrent que les convertisseurs de longueur d’ondes basés sur le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs optiques à semi-conducteur, utilisés en conjonction avec des techniques de traitement de signal numérique, constituent une technologie extrêmement prometteuse pour les réseaux de communications optiques modernes à routage en longueur d’onde.

Third-order nonlinear spectra and optical limiting of lead oxifluoroborate glasses

We have determined two-photon absorption and nonlinear refraction spectra of the 50BO(1.5) - (50-x)PbF(2) - xPbO glasses (with x = 25, 35, 50 cationic %) at the range of the 470 and 1550 nm. The replacement of fluor atoms by oxygen leads to an increase in the third-order susceptibility, due to the formation of non-bridging oxygens (NBO). The nonlinear index of refraction is one order of magnitude higher than the one for fused silica, and it increases almost twice for the sample with x = 50. This sample has also shown promising features for all-optical switching as well as for optical limiting. (C) 2011 Optical Society of America

Modeling the optical properties of AlSb, GaSb, and InSb

Optical constants of AlSb, GaSb, and InSb are modeled in the 1-6 eV spectral range. We employ an extension of Adachi's model of the optical constants of semiconductors. The model takes into account transitions at E-0, E-0 + Delta(0), E-1, and E-1 + Delta(1) critical points, as well as higher-lying transitions which are modeled with three damped harmonic oscillators. We do not consider indirect transitions contribution, since it represents a second-order perturbation and its strength should be low. Also, we do not take into account excitonic effects at E-1, E-1 + Delta(1) critical points, since we model the room temperature data. In spite of fewer contributions to the dielectric function compared to previous calculations involving Adachi's model, our calculations show significantly improved agreement with the experimental data. This is due to the two main distinguishing features of calculations presented here: use of adjustable line broadening instead of the conventional Lorentzian one, and employment of a global optimization routine for model parameter determination.

Optical nonlinearity in Tandem SI-C photodetectors

The behavior of tandem pin heterojunctions based on a-SiC: H alloys is investigated under different optical and electrical bias conditions. The devices are optimized to act as optically selective wavelength filters. Depending on the device configuration (optical gaps, thickness, sequence of cells in the stack structure) and on the applied voltage (positive or negative) and optical bias (wavelength, intensity, frequency) it is possible to combine the wavelength discrimination function with the self amplification of the signal. This wavelength nonlinearity allows the amplification or the rejection of a weak signal-impulse. The device works as an active tunable optical filter for wavelength selection and can be used as an add/drop multiplexer (ADM) which enables data to enter and leave an optical network bit stream without having to demultiplex the stream. Results show that, even under weak transient input signals, the background wavelength controls the output signal. This nonlinearity, due to the transient asymmetrical light penetration of the input channels across the device together with the modification on the electrical field profile due to the optical bias, allows tuning an input channel without demultiplexing the stream. This high optical nonlinearity makes the optimized devices attractive for the amplification of all optical signals. Transfer characteristics effects due to changes in steady state light, control d.c. voltage and applied light pulses are presented. Based on the experimental results and device configuration an optoelectronic model is developed. The transfer characteristics effects due to changes in steady state light, dc control voltage or applied light pulses are simulated and compared with the experimental data. A good agreement was achieved.

Optical processor based on a-SiC technology for spectral data error control

The SiC optical processor for error detection and correction is realized by using double pin/pin a-SiC:H photodetector with front and back biased optical gating elements. Data shows that the background act as selector that pick one or more states by splitting portions of the input multi optical signals across the front and back photodiodes. Boolean operations such as exclusive OR (EXOR) and three bit addition are demonstrated optically with a combination of such switching devices, showing that when one or all of the inputs are present the output will be amplified, the system will behave as an XOR gate representing the SUM. When two or three inputs are on, the system acts as AND gate indicating the present of the CARRY bit. Additional parity logic operations are performed by use of the four incoming pulsed communication channels that are transmitted and checked for errors together. As a simple example of this approach, we describe an all optical processor for error detection and correction and then, provide an experimental demonstration of this fault tolerant reversible system, in emerging nanotechnology.

Counter-propagating dual-trap optical tweezers based on linear momentum conservation

We present a dual-trap optical tweezers setup which directly measures forces using linear momentum conservation. The setup uses a counter-propagating geometry, which allows momentum measurement on each beam separately. The experimental advantages of this setup include low drift due to all-optical manipulation, and a robust calibration (independent of the features of the trapped object or buffer medium) due to the force measurement method. Although this design does not attain the high-resolution of some co-propagating setups, we show that it can be used to perform different single molecule measurements: fluctuation-based molecular stiffness characterization at different forces and hopping experiments on molecular hairpins. Remarkably, in our setup it is possible to manipulate very short tethers (such as molecular hairpins with short handles) down to the limit where beads are almost in contact. The setup is used to illustrate a novel method for measuring the stiffness of optical traps and tethers on the basis of equilibrium force fluctuations, i.e., without the need of measuring the force vs molecular extension curve. This method is of general interest for dual trap optical tweezers setups and can be extended to setups which do not directly measure forces.

Optical trapping: a review of essential concepts

Optical tweezers are an innovative technique for the non-contact, all-optical manipulation of small material samples, which has extraordinarily expanded and evolved since its inception in the mid-80s of the last century. Nowadays, the potential of optical tweezers has been clearly proven and a wide range of applications both from the physical and biological sciences have solidly emerged, turning the early ideas and techniques into a powerful paradigm for experimentation in the micro- and nanoworld. This review aims at highlighting the fundamental concepts that are essential for a thorough understanding of optical trapping, making emphasis on both its manipulation and measurement capabilities, as well as on the vast array of important biological applications appeared in the last years.

Impact of unsymmetrical loads in distribution networks

Since it is virtually impossible to balance loads in three-phase system, unbalance in a varying degree exists almost in all distribution networks. The aim of the thesis is to analyze the impact of this unbalance subject to different configurations of distribution system and winding connection of the supplying transformer. Also impact of the voltage unbalance on the equipment is investigated. In order to make the investigation more visual, the following calculations have been conducted: - Unsymmetrical load in four-wire star connected network - Unsymmetrical load in four-wire star connected network with broken zero conductor (or three-wire network). - Unsymmetrical load when the supplying transformer is so-called zigzag transformer. PDF created

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Operational Cost Reduction in WDM Networks using Lighttours

Wavelength division multiplexing (WDM) networks have been adopted as a near-future solution for the broadband Internet. In previous work we proposed a new architecture, named enhanced grooming (G+), that extends the capabilities of traditional optical routes (lightpaths). In this paper, we compare the operational expenditures incurred by routing a set of demands using lightpaths with that of lighttours. The comparison is done by solving an integer linear programming (ILP) problem based on a path formulation. Results show that, under the assumption of single-hop routing, almost 15% of the operational cost can be reduced with our architecture. In multi-hop routing the operation cost is reduced in 7.1% and at the same time the ratio of operational cost to number of optical-electro-optical conversions is reduced for our architecture. This means that ISPs could provide the same satisfaction in terms of delay to the end-user with a lower investment in the network architecture

The nested assembly of individual-resource networks

P>1. Much of the current understanding of ecological systems is based on theory that does not explicitly take into account individual variation within natural populations. However, individuals may show substantial variation in resource use. This variation in turn may be translated into topological properties of networks that depict interactions among individuals and the food resources they consume (individual-resource networks). 2. Different models derived from optimal diet theory (ODT) predict highly distinct patterns of trophic interactions at the individual level that should translate into distinct network topologies. As a consequence, individual-resource networks can be useful tools in revealing the incidence of different patterns of resource use by individuals and suggesting their mechanistic basis. 3. In the present study, using data from several dietary studies, we assembled individual-resource networks of 10 vertebrate species, previously reported to show interindividual diet variation, and used a network-based approach to investigate their structure. 4. We found significant nestedness, but no modularity, in all empirical networks, indicating that (i) these populations are composed of both opportunistic and selective individuals and (ii) the diets of the latter are ordered as predictable subsets of the diets of the more opportunistic individuals. 5. Nested patterns are a common feature of species networks, and our results extend its generality to trophic interactions at the individual level. This pattern is consistent with a recently proposed ODT model, in which individuals show similar rank preferences but differ in their acceptance rate for alternative resources. Our findings therefore suggest a common mechanism underlying interindividual variation in resource use in disparate taxa.