Dissipative parametric modulation instability and pattern formation in nonlinear optical systems

We present the essential features of the dissipative parametric instability, in the universal complex Ginzburg- Landau equation. Dissipative parametric instability is excited through a parametric modulation of frequency dependent losses in a zig-zag fashion in the spectral domain. Such damping is introduced respectively for spectral components in the +ΔF and in the -ΔF region in alternating fashion, where F can represent wavenumber or temporal frequency depending on the applications. Such a spectral modulation can destabilize the homogeneous stationary solution of the system leading to growth of spectral sidebands and to the consequent pattern formation: both stable and unstable patterns in one- and in two-dimensional systems can be excited. The dissipative parametric instability provides an useful and interesting tool for the control of pattern formation in nonlinear optical systems with potentially interesting applications in technological applications, like the design of mode- locked lasers emitting pulse trains with tunable repetition rate; but it could also find realizations in nanophotonics circuits or in dissipative polaritonic Bose-Einstein condensates.

Enhanced nonlinear spectral compression in fiber by external sinusoidal phase modulation

We propose a new, simple approach to enhance the spectral compression process arising from nonlinear pulse propagation in an optical fiber. We numerically show that an additional sinusoidal temporal phase modulation of the pulse enables efficient reduction of the intensity level of the side lobes in the spectrum that are produced by the mismatch between the initial linear negative chirp of the pulse and the self-phase modulation-induced nonlinear positive chirp. Remarkable increase of both the extent of spectrum narrowing and the quality of the compressed spectrum is afforded by the proposed approach across a wide range of experimentally accessible parameters.

Enhanced nonlinear spectral compression in fibre by sinusoidal phase modulation

We propose a simple approach to enhance the spectral compression arising from nonlinear pulse propagation in a Kerr medium. We numerically show that an additional sinusoidal temporal phase modulation enables efficient reduction of the intensity level of spectral side lobes.

Mechanism that dictates pore width and <111>a pore propagation in InP

We report a mechanism for pore growth and propagation based on a three-step charge transfer model. The study is supported by electron microscopy analysis of highly doped n-InP samples anodised in aqueous KOH. The model and experimental data are used to explain propagation of pores of characteristic diameter preferentially along the <111>A directions. We also show evidence for deviation of pore growth from the <111>A directions and explain why such deviations should occur. The model is self-consistent and predicts how carrier concentration affects the internal dimensions of the porous structures.

Noncollinear Polarization Gating of Attosecond Pulse Trains in the Relativistic Regime

High order harmonics generated at relativistic intensities have long been recognized as a route to the most powerful extreme ultraviolet pulses. Reliably generating isolated attosecond pulses requires gating to only a single dominant optical cycle, but techniques developed for lower power lasers have not been readily transferable. We present a novel method to temporally gate attosecond pulse trains by combining noncollinear and polarization gating. This scheme uses a split beam configuration which allows pulse gating to be implemented at the high beam fluence typical of multi-TW to PW class laser systems. Scalings for the gate width demonstrate that isolated attosecond pulses are possible even for modest pulse durations achievable for existing and planned future ultrashort high-power laser systems. Experimental results demonstrating the spectral effects of temporal gating on harmonic spectra generated by a relativistic laser plasma interaction are shown.

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.

Role and modulation of maternal transcripts during the first cleavage divisions in bovine embryos

Ce travail porte sur l’identification, la fonction et la régulation des molécules maternelles d’ARNm qui dirigent la compétence développementale juste après la fécondation chez les bovins. Tout d’abord, en utilisant le modèle du temps écoulé jusqu’au premier clivage zygotique et à travers l’évaluation du transcriptome des embryons à 2-cellules, il fut possible de déterminer la signature moléculaire des niveaux extrêmes de compétence au développement et sélectionner des molécules candidates pour des études postérieures. Les résultats ont montré que les embryons de capacité développementale variable diffèrent dans certaines fonctions comme la réparation de l’ADN, le traitement de l’ARN, la synthèse de protéines et l’expression génique définies par des ARNm synthétisés par l’ovocyte. Pour obtenir une confirmation fonctionnelle, une paire de transcrits maternels (l’un détecté dans notre sondage précédent et l’autre étant une molécule reliée) ont été inhibés par « knock-down » dans des ovocytes. Les effets du knock-down de ces facteurs de transcription sont apparus avant la formation des blastocystes dû à une diminution de la capacité au clivage et celle à progresser après le stage de 8-cellules. L’analyse moléculaire des embryons knock-down survivants suggère qu’un de ces facteurs de transcription est un contrôleur crucial de l’activation du génome embryonnaire, qui représente une fenêtre développementale dans l’embryogenèse précoce. Dans la dernièr étude, nous avons testé si les facteurs de transcription d’intérêt sont modulés au niveau traductionnel. Des ARNm rapporteurs couplés à la GFP (Protéine fluorescente) contenant soit la version courte ou la version longue de la séquence 3’-UTR des deux molécules furent injectées dans des zygotes pour évaluer leur dynamique traductionnelle. Les résultats ont montré que les éléments cis-régulateurs localisés dans les 3’-UTRs contrôlent leur synchronisation traductionnelle et suggèrent une association entre la compétence développementale et la capacité de synthèse de ces protéines. Ceci conduit à l’idée que ces facteurs de transcription cruciaux sont aussi contrôlés au niveau traductionnel chez les embryons précoces. Les connaissances acquises ont joué un rôle essentiel pour définir le contrôle potentiel des molécules maternelles sur les embryons au début de leur développement. Cette étude nous montre aussi une utilisation potentielle de cette information ainsi que les nouveaux défis présents dans le secteur des technologies reproductives.

Techniques en appui des formats de modulation avancés pour les futurs réseaux optiques

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets.

Modulateur à réseau de Bragg intégré sur silicium pour les télécommunications dans les centres de données et leurs applications

Récemment, beaucoup d’efforts ont été investis afin de développer des modulateurs sur silicium pour les télécommunications optiques et leurs domaines d’applications. Ces modulateurs sont utiles pour les centres de données à courte portée et à haut débit. Ainsi, ce travail porte sur la caractérisation de deux types de modulateurs à réseau de Bragg intégré sur silicium comportant une jonction PN entrelacée dont le but est de réaliser une modulation de la longueur d’onde de Bragg par le biais de l’application d’un tension de polarisation inverse réalisant une déplétion des porteurs au sein du guide d’onde. Pour le premier modulateur à réseau de Bragg, la période de la jonction PN est différente de celle du réseau de Bragg tandis que le deuxième modulateur à réseau de Bragg a la période de sa jonction PN en accord avec celle du réseau de Bragg. Ces différences apporteront un comportement différent du modulateur impliquant donc une transmission de données de qualité différente et c’est ce que nous cherchons à caractériser. L’avantage de ce modulateur à réseau de Bragg est qu’il est relativement simple à designer et possède un réseau de Bragg uniforme dont on connaît déjà très bien les caractéristiques. La première étape dans la caractérisation de ces modulateurs fut de réaliser des mesures optiques, uniquement, afin de constater la réponse spectrale en réflexion et en transmission. Par la suite, nous sommes passé par l’approche usuelle, c’est à dire en réalisant des mesures DC sur les modulateurs. Ce mémoire montre également les résultats pratiques sur le comportement des électrodes et de la jonction PN. Mais il rend compte également des résultats de la transmission de données de ces modulateurs par l’utilisation d’une modulation OOK et PAM-4 et permet de mettre en évidence les différences en terme d’efficacité de modulation de ces deux modulateurs. Nous discutons alors de la pertinence de ce choix de design par rapport à ce que l’on peut trouver actuellement dans la littérature.

Thalamic modulation of the cortisal slow oscillation

Il est bien établi que le thalamus joue un rôle crucial dans la génération de l’oscillation lente synchrone dans le cortex pendant le sommeil lent. La puissance des ondes lente / delta (0.2-4 Hz) est un indicateur quantifiable de la qualité du sommeil. La contribution des différents noyaux thalamiques dans la génération de l’activité à ondes lentes et dans sa synchronisation n’est pas connue. Nous émettons l’hypothèse que les noyaux thalamiques de premier ordre (spécifiques) influencent localement l’activité à ondes lentes dans les zones corticales primaires, tandis que les noyaux thalamiques d’ordre supérieur (non spécifiques) synchronisent globalement les activités à ondes lentes à travers de larges régions corticales. Nous avons analysé les potentiels de champ locaux et les activités de décharges de différentes régions corticales et thalamiques de souris anesthésiées alors qu’un noyau thalamique était inactivé par du muscimol, un agoniste des récepteurs GABA. Les enregistrements extracellulaires multi-unitaires dans les noyaux thalamiques de premier ordre (VPM) et d’ordre supérieur (CL) montrent des activités de décharges considérablement diminuées et les décharges par bouffées de potentiels d’action sont fortement réduites après inactivation. Nous concluons que l’injection de muscimol réduit fortement les activités de décharges et ne potentialise pas la génération de bouffées de potentiel d’action à seuil bas. L’inactivation des noyaux thalamiques spécifiques avec du muscimol a diminué la puissance lente / delta dans la zone corticale primaire correspondante. L’inactivation d’un noyau non spécifique avec le muscimol a significativement réduit la puissance delta dans l’ensemble du cortex étudié. Nos expériences démontrent que le thalamus a un rôle crucial dans la génération de l’oscillation lente corticale.

Nonlinear Optics and Carrier Dynamics in Nanostructured and Two-Dimensional Materials

Understanding and measuring the interaction of light with sub-wavelength structures and atomically thin materials is of critical importance for the development of next generation photonic devices.  One approach to achieve the desired optical properties in a material is to manipulate its mesoscopic structure or its composition in order to affect the properties of the light-matter interaction.  There has been tremendous recent interest in so called two-dimensional materials, consisting of only a single to a few layers of atoms arranged in a planar sheet.  These materials have demonstrated great promise as a platform for studying unique phenomena arising from the low-dimensionality of the material and for developing new types of devices based on these effects.  A thorough investigation of the optical and electronic properties of these new materials is essential to realizing their potential.  In this work we present studies that explore the nonlinear optical properties and carrier dynamics in nanoporous silicon waveguides, two-dimensional graphite (graphene), and atomically thin black phosphorus. We first present an investigation of the nonlinear response of nanoporous silicon optical waveguides using a novel pump-probe method. A two-frequency heterodyne technique is developed in order to measure the pump-induced transient change in phase and intensity in a single measurement. The experimental data reveal a characteristic material response time and temporally resolved intensity and phase behavior matching a physical model dominated by free-carrier effects that are significantly stronger and faster than those observed in traditional silicon-based waveguides.  These results shed light on the large optical nonlinearity observed in nanoporous silicon and demonstrate a new measurement technique for heterodyne pump-probe spectroscopy. Next we explore the optical properties of low-doped graphene in the terahertz spectral regime, where both intraband and interband effects play a significant role. Probing the graphene at intermediate photon energies enables the investigation of the nonlinear optical properties in the graphene as its electron system is heated by the intense pump pulse. By simultaneously measuring the reflected and transmitted terahertz light, a precise determination of the pump-induced change in absorption can be made. We observe that as the intensity of the terahertz radiation is increased, the optical properties of the graphene change from interband, semiconductor-like absorption, to a more metallic behavior with increased intraband processes. This transition reveals itself in our measurements as an increase in the terahertz transmission through the graphene at low fluence, followed by a decrease in transmission and the onset of a large, photo-induced reflection as fluence is increased.  A hybrid optical-thermodynamic model successfully describes our observations and predicts this transition will persist across mid- and far-infrared frequencies.  This study further demonstrates the important role that reflection plays since the absorption saturation intensity (an important figure of merit for graphene-based saturable absorbers) can be underestimated if only the transmitted light is considered. These findings are expected to contribute to the development of new optoelectronic devices designed to operate in the mid- and far-infrared frequency range.  Lastly we discuss recent work with black phosphorus, a two-dimensional material that has recently attracted interest due to its high mobility and direct, configurable band gap (300 meV to 2eV), depending on the number of atomic layers comprising the sample. In this work we examine the pump-induced change in optical transmission of mechanically exfoliated black phosphorus flakes using a two-color optical pump-probe measurement. The time-resolved data reveal a fast pump-induced transparency accompanied by a slower absorption that we attribute to Pauli blocking and free-carrier absorption, respectively. Polarization studies show that these effects are also highly anisotropic - underscoring the importance of crystal orientation in the design of optical devices based on this material. We conclude our discussion of black phosphorus with a study that employs this material as the active element in a photoconductive detector capable of gigahertz class detection at room temperature for mid-infrared frequencies.

Carrier Selection for Multi-commodity Flow Optimization in Cooperative Environments

Part 18: Optimization in Collaborative Networks

A Highly Improved Method For Sensitive Determination Of Amitriptyline In Pharmaceutical Formulations Using An Unmodified Carbon Nanotube Electrode In The Presence Of Sulfuric Acid.

The present paper describes a novel, simple and reliable differential pulse voltammetric method for determining amitriptyline (AMT) in pharmaceutical formulations. It has been described for many authors that this antidepressant is electrochemically inactive at carbon electrodes. However, the procedure proposed herein consisted in electrochemically oxidizing AMT at an unmodified carbon nanotube paste electrode in the presence of 0.1 mol L(-1) sulfuric acid used as electrolyte. At such concentration, the acid facilitated the AMT electroxidation through one-electron transfer at 1.33 V vs. Ag/AgCl, as observed by the augmentation of peak current. Concerning optimized conditions (modulation time 5 ms, scan rate 90 mV s(-1), and pulse amplitude 120 mV) a linear calibration curve was constructed in the range of 0.0-30.0 μmol L(-1), with a correlation coefficient of 0.9991 and a limit of detection of 1.61 μmol L(-1). The procedure was successfully validated for intra- and inter-day precision and accuracy. Moreover, its feasibility was assessed through analysis of commercial pharmaceutical formulations and it has been compared to the UV-vis spectrophotometric method used as standard analytical technique recommended by the Brazilian Pharmacopoeia.

Assessment Of Robustness On Analysis Using Headspace Solid-phase Microextraction And Comprehensive Two-dimensional Gas Chromatography Through Experimental Designs.

Plackett-Burman experimental design was applied for the robustness assessment of GC×GC-qMS (Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography with Fast Quadrupolar Mass Spectrometric Detection) in quantitative and qualitative analysis of volatiles compounds from chocolate samples isolated by headspace solid-phase microextraction (HS-SPME). The influence of small changes around the nominal level of six factors deemed as important on peak areas (carrier gas flow rate, modulation period, temperature of ionic source, MS photomultiplier power, injector temperature and interface temperature) and of four factors considered as potentially influential on spectral quality (minimum and maximum limits of the scanned mass ranges, ions source temperature and photomultiplier power). The analytes selected for the study were 2,3,5-trimethylpyrazine, 2-octanone, octanal, 2-pentyl-furan, 2,3,5,6-tetramethylpyrazine, and 2-nonanone e nonanal. The factors pointed out as important on the robustness of the system were photomultiplier power for quantitative analysis and lower limit of mass scanning range for qualitative analysis.

Effect Of Spray Drying On The Sensory And Physical Properties Of Hydrolysed Casein Using Gum Arabic As The Carrier.

This study was aimed at spray drying hydrolysed casein using gum Arabic as the carrier agent, in order to decrease the bitter taste. Three formulations with differing proportions of hydrolysed casein: gum Arabic (10:90, 20:80 and 30:70) were prepared and characterized. They were evaluated for their moisture content, water activity, hygroscopicity, dispersibility in water and in oil, particle size and distribution, particle morphology, thermal behaviour (DSC) and bitter taste by a trained sensory panel using a paired-comparison test (free samples vs. spray dried samples). The proportion of hydrolysed casein did not affect the morphology of the microspheres. The spray drying process increased product stability and modified the dissolution time, but had no effect on the ability of the material to dissolve in either water or oil. The sensory tests showed that the spray drying process using gum Arabic as the carrier was efficient in attenuating or masking the bitter taste of the hydrolysed casein.