Spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers enabling space-division multiplexing

L’augmentation exponentielle de la demande de bande passante pour les communications laisse présager une saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications qui devrait se matérialiser au cours de la prochaine décennie. En effet, la théorie de l’information prédit que les effets non linéaires dans les fibres monomodes limite la capacité de transmission de celles-ci et peu de gain à ce niveau peut être espéré des techniques traditionnelles de multiplexage développées et utilisées jusqu’à présent dans les systèmes à haut débit. La dimension spatiale du canal optique est proposée comme un nouveau degré de liberté qui peut être utilisé pour augmenter le nombre de canaux de transmission et, par conséquent, résoudre cette menace de «crise de capacité». Ainsi, inspirée par les techniques micro-ondes, la technique émergente appelée multiplexage spatial (SDM) est une technologie prometteuse pour la création de réseaux optiques de prochaine génération. Pour réaliser le SDM dans les liens de fibres optiques, il faut réexaminer tous les dispositifs intégrés, les équipements et les sous-systèmes. Parmi ces éléments, l’amplificateur optique SDM est critique, en particulier pour les systèmes de transmission pour les longues distances. En raison des excellentes caractéristiques de l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) utilisé dans les systèmes actuels de pointe, l’EDFA est à nouveau un candidat de choix pour la mise en œuvre des amplificateurs SDM pratiques. Toutefois, étant donné que le SDM introduit une variation spatiale du champ dans le plan transversal de la fibre, les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium spatialement intégrés (SIEDFA) nécessitent une conception soignée. Dans cette thèse, nous examinons tout d’abord les progrès récents du SDM, en particulier les amplificateurs optiques SDM. Ensuite, nous identifions et discutons les principaux enjeux des SIEDFA qui exigent un examen scientifique. Suite à cela, la théorie des EDFA est brièvement présentée et une modélisation numérique pouvant être utilisée pour simuler les SIEDFA est proposée. Sur la base d’un outil de simulation fait maison, nous proposons une nouvelle conception des profils de dopage annulaire des fibres à quelques-modes dopées à l’erbium (ED-FMF) et nous évaluons numériquement la performance d’un amplificateur à un étage, avec fibre à dopage annulaire, à ainsi qu’un amplificateur à double étage pour les communications sur des fibres ne comportant que quelques modes. Par la suite, nous concevons des fibres dopées à l’erbium avec une gaine annulaire et multi-cœurs (ED-MCF). Nous avons évalué numériquement le recouvrement de la pompe avec les multiples cœurs de ces amplificateurs. En plus de la conception, nous fabriquons et caractérisons une fibre multi-cœurs à quelques modes dopées à l’erbium. Nous réalisons la première démonstration des amplificateurs à fibre optique spatialement intégrés incorporant de telles fibres dopées. Enfin, nous présentons les conclusions ainsi que les perspectives de cette recherche. La recherche et le développement des SIEDFA offriront d’énormes avantages non seulement pour les systèmes de transmission future SDM, mais aussi pour les systèmes de transmission monomode sur des fibres standards à un cœur car ils permettent de remplacer plusieurs amplificateurs par un amplificateur intégré.

Simulación de un enlace óptico WDM (Wavelength Division Multiplexing) utilizando POFs (Polymer Optical Fiber) en el espectro de luz visible

En este proyecto se analizaron las características y el modo de operación de las fibras ópticas plásticas en un enlace óptico WDM (Wavelenght Division Multiplexing) operando en el espectro visible. Se estudiaron los componentes activos y pasivos necesarios para el enlace, como son las fuentes LED, multiplexores, filtros y acopladores. Se analizaron los efectos no lineales que se pueden presentar en la fibra óptica, y que son importantes de considerar al transmitir señales WDM. Para respaldar el análisis se simuló en MATLAB un enlace óptico en el dominio de la frecuencia utilizando fuentes LED que emiten en el espectro visible, junto con multiplexores WDM, filtros de absorción, acopladores y como medio de transmisión la Fibra Óptica Plástica (POF -Plastic Optical Fiber).

Optical Wireless Communication for Mobile Platforms

The past few decades have witnessed the widespread adaptation of wireless devices such as cellular phones and Wifi-connected laptops, and demand for wireless communication is expected to continue to increase. Though radio frequency (RF) communication has traditionally dominated in this application space, recent decades have seen an increasing interest in the use of optical wireless (OW) communication to supplement RF communications. In contrast to RF communication technology, OW systems offer the use of largely unregulated electromagnetic spectrum and large bandwidths for communication. They also offer the potential to be highly secure against jamming and eavesdropping. Interest in OW has become especially keen in light of the maturation of light-emitting diode (LED) technology. This maturation, and the consequent emerging ubiquity of LED technology in lighting systems, has motivated the exploration of LEDs for wireless communication purposes in a wide variety of applications. Recent interest in this field has largely focused on the potential for indoor local area networks (LANs) to be realized with increasingly common LED-based lighting systems. We envision the use of LED-based OW to serve as a supplement to RF technology in communication between mobile platforms, which may include automobiles, robots, or unmanned aerial vehicles (UAVs). OW technology may be especially useful in what are known as RF-denied environments, in which RF communication may be prohibited or undesirable. The use of OW in these settings presents major challenges. In contrast to many RF systems, OWsystems that operate at ranges beyond a few meters typically require relatively precise alignment. For example, some laser-based optical wireless communication systems require alignment precision to within small fractions of a degree. This level of alignment precision can be difficult to maintain between mobile platforms. Additionally, the use of OW systems in outdoor settings presents the challenge of interference from ambient light, which can be much brighter than any LED transmitter. This thesis addresses these challenges to the use of LED-based communication between mobile platforms. We propose and analyze a dual-link LED-based system that uses one link with a wide transmission beam and relaxed alignment constraints to support a more narrow, precisely aligned, higher-data-rate link. The use of an optical link with relaxed alignment constraints to support the alignment of a more precisely aligned link motivates our exploration of a panoramic imaging receiver for estimating the range and bearing of neighboring nodes. The precision of such a system is analyzed and an experimental system is realized. Finally, we present an experimental prototype of a self-aligning LED-based link.

Fuel level sensor based on polymer optical fiber Bragg gratings for aircraft applications

Safety in civil aviation is increasingly important due to the increase in flight routes and their more challenging nature. Like other important systems in aircraft, fuel level monitoring is always a technical challenge. The most frequently used level sensors in aircraft fuel systems are based on capacitive, ultrasonic and electric techniques, however they suffer from intrinsic safety concerns in explosive environments combined with issues relating to reliability and maintainability. In the last few years, optical fiber liquid level sensors (OFLLSs) have been reported to be safe and reliable and present many advantages for aircraft fuel measurement. Different OFLLSs have been developed, such as the pressure type, float type, optical radar type, TIR type and side-leaking type. Amongst these, many types of OFLLSs based on fiber gratings have been demonstrated. However, these sensors have not been commercialized because they exhibit some drawbacks: low sensitivity, limited range, long-term instability, or limited resolution. In addition, any sensors that involve direct interaction of the optical field with the fuel (either by launching light into the fuel tank or via the evanescent field of a fiber-guided mode) must be able to cope with the potential build up of contamination-often bacterial-on the optical surface. In this paper, a fuel level sensor based on microstructured polymer optical fiber Bragg gratings (mPOFBGs), including poly (methyl methacrylate) (PMMA) and TOPAS fibers, embedded in diaphragms is investigated in detail. The mPOFBGs are embedded in two different types of diaphragms and their performance is investigated with aviation fuel for the first time, in contrast to our previous works, where water was used. Our new system exhibits a high performance when compared with other previously published in the literature, making it a potentially useful tool for aircraft fuel monitoring.

PMMA based optical fiber Bragg grating for measuring moisture in transformer oil

Water contamination can cause serious problems that compromise in transformer's safe operation and reduce its lifetime. Online monitoring of moisture concentration in transformer oil would permit the control of moisture buildup. This letter presents a direct optical measurement of moisture concentration in transformer oil using a poly(methyl methacrylate) (PMMA)-based optical fiber Bragg grating (POFBG). The refractive index and volume of PMMA-based optical fiber vary with the moisture in the surrounding transformer oil, changing the reflecting wavelength of the grating. A sensitivity of POFBG wavelength change to moisture content of 29 pm/ppm is demonstrated in this letter, indicating detectable water content better than 0.05 ppm.

Directly-modulated DS-DBR tunable laser for uncooled C-band WDM system

A tunable DS-DBR laser is demonstrated for uncooled WDM C-band channel generation with tight spacing (SOGHz) and low thermal drift (±2.5GHz) up to 70°C. 2.5Gb/s direct modulation with transmission over a 75km link is achieved. © 2000 Optical Society of America.