Broadly tunable dual-wavelength InAs/GaAs quantum-dot laser for THz generation

We demonstrate an ultra-compact, room-Temperature, continuous-wave, broadly-Tunable dual-wavelength InAs/GaAs quantum-dot external-cavity diode laser in the spectral region between 1150 nm and 1301 nm with maximum output power of 280 mW. This laser source generating two modes with tunable difference-frequency (300 GHz-30 THz) has a great potential to replace commonly used bulky lasers for THz generation in photomixer devices.

Multi-wavelength ultra-long Raman fibre laser based on Rayleigh-scattering feedback

We experimentally demonstrate a Raman fiber laser with linear cavity based on point-action fibre Bragg grating reflectors and random distributed feedback via Rayleigh scattering in the long fibre providing stable multiple wavelengths (close to ITU grid) output at Watts level. ©2010 IEEE.

Mode-locked laser pulse sources for wavelength division multiplexing

Recent theoretical investigations have demonstrated that the stability of mode-locked solution of multiple frequency channels depends on the degree of inhomogeneity in gain saturation. In this paper, these results are generalized to determine conditions on each of the system parameters necessary for both the stability and existence of mode-locked pulse solutions for an arbitrary number of frequency channels. In particular, we find that the parameters governing saturable intensity discrimination and gain inhomogeneity in the laser cavity also determine the position of bifurcations of solution types. These bifurcations are completely characterized in terms of these parameters. In addition to influencing the stability of mode-locked solutions, we determine a balance between cubic gain and quintic loss, which is necessary for existence of solutions as well. Furthermore, we determine the critical degree of inhomogeneous gain broadening required to support pulses in multiple frequency channels. © 2010 Copyright SPIE - The International Society for Optical Engineering.

Variable 360° Vector-Sum Phase Shifter With Coarse and Fine Vector Scaling

A CMOS vector-sum phase shifter covering the full 360° range is presented in this paper. Broadband operational transconductance amplifiers with variable transconductance provide coarse scaling of the quadrature vector amplitudes. Fine scaling of the amplitudes is accomplished using a passive resistive network. Expressions are derived to predict the maximum bit resolution of the phase shifter from the scaling factor of the coarse and fine vector-scaling stages. The phase shifter was designed and fabricated using the standard 130-nm CMOS process and was tested on-wafer over the frequency range of 4.9–5.9 GHz. The phase shifter delivers root mean square (rms) phase and amplitude errors of 1.25° and 0.7 dB, respectively, at the midband frequency of 5.4 GHz. The input and output return losses are both below 17 dB over the band, and the insertion loss is better than 4 dB over the band. The circuit uses an area of 0.303 mm2 excluding bonding pads and draws 28 mW from a 1.2 V supply.

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.

Conception, caractérisation et optimisation de SPAD en technologie Dalsa HV CMOS 0.8 μm pour intégration dans un 3D-SiPM

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G.

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).

MULTI-WAVELENGTH SPECKLE REDUCTION FOR LASER PICO-PROJECTORS USING DIFFRACTIVE OPTICS

Personal electronic devices, such as cell phones and tablets, continue to decrease in size while the number of features and add-ons keep increasing. One particular feature of great interest is an integrated projector system. Laser pico-projectors have been considered, but the technology has not been developed enough to warrant integration. With new advancements in diode technology and MEMS devices, laser-based projection is currently being advanced for pico-projectors. A primary problem encountered when using a pico-projector is coherent interference known as speckle. Laser speckle can lead to eye irritation and headaches after prolonged viewing. Diffractive optical elements known as diffusers have been examined as a means to lower speckle contrast. Diffusers are often rotated to achieve temporal averaging of the spatial phase pattern provided by diffuser surface. While diffusers are unable to completely eliminate speckle, they can be utilized to decrease the resultant contrast to provide a more visually acceptable image. This dissertation measures the reduction in speckle contrast achievable through the use of diffractive diffusers. A theoretical Fourier optics model is used to provide the diffuser’s stationary and in-motion performance in terms of the resultant contrast level. Contrast measurements of two diffractive diffusers are calculated theoretically and compared with experimental results. In addition, a novel binary diffuser design based on Hadamard matrices will be presented. Using two static in-line Hadamard diffusers eliminates the need for rotation or vibration of the diffuser for temporal averaging. Two Hadamard diffusers were fabricated and contrast values were subsequently measured, showing good agreement with theory and simulated values. Monochromatic speckle contrast values of 0.40 were achieved using the Hadamard diffusers. Finally, color laser projection devices require the use of red, green, and blue laser sources; therefore, using a monochromatic diffractive diffuser may not optimal for color speckle contrast reduction. A simulation of the Hadamard diffusers is conducted to determine the optimum spacing between the two diffusers for polychromatic speckle reduction. Experimental measured results are presented using the optimal spacing of Hadamard diffusers for RGB color speckle reduction, showing 60% reduction in contrast.