Diode-pumped Yb : GSO femtosecond laser

Compact femtosecond laser operation of Yb:Gd2SiO5 (Yb:GSO) crystal was demonstrated under high-brightness diode-end-pumping. A semiconductor saturable absorption mirror was used to start passive mode-locking. Stable mode-locking could be realized near the emission bands around 1031, 1048, and 1088 nm, respectively. The mode-locked Yb: GSO laser could be tuned from one stable mode-locking band to another with adjustable pulse durations in the range 1 similar to 100 ps by slightly aligning laser cavity to allow laser oscillations at different central wavelengths. A pair of SF10 prisms was inserted into the laser cavity to compensate for the group velocity dispersion. The mode-locked pulses centered at 1031 nm were compressed to 343 fs under a typical operation situation with a maximum output power of 396 mW. (c) 2007 Optical Society of America.

Ultrafast and high-energy pulsed lasers with graphene mode-lockers

The conventional technology for generating ultrashort pulses relies on soliton-like operation based mode-locking. In this regime, the pulse duration is limited by nonlinear optical effects[1]. One method to mitigate these effects is to alternate segments of normal and anomalous group velocity dispersion (GVD) fiber[1]. This configuration is known as dispersion-managed soliton design. It decreases the nonlinear optical effects and reduces the pulse duration[1]. © 2011 IEEE.

Wavelength conversion based on degenerate-four-wave-mixing with continuous-wave pumping in silicon nanowire waveguide

We present a comprehensive numerical study on the all-optical wavelength conversion based on the degenerate four-wave-mixing with continuous-wave pumping in the silicon nanowire waveguide. It is well known that the conversion efficiency and the 3-dB bandwidth can be greatly affected by the phase-matching condition. Through proper design of the waveguide cross-section, its dispersion property can be adjusted to satisfy the phase-matching condition and therefore effective wavelength conversion can be achieved in a large wavelength range. Generally, the group velocity dispersion plays a dominant role in the wavelength conversion. However, the fourth-order dispersion takes an important effect on the wavelength conversion when the group velocity dispersion is near the zero-point. Furthermore, the conversion efficiency and the 3-dB bandwidth can also be affected by the interactive length and the initial pump power. Through the numerical simulation, the optimal values for the interactive length and the initial pump power, which are functions of the propagation loss, are obtained to realize the maximum conversion efficiency. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Investigation of spectral bandwidth of optical parametric amplification

The spectral bandwidth of three-wave-mixing optical parametric amplification has been investigated. A general mathematical model for evaluating the spectral bandwidth of optical parametric amplification is developed with parametric bandwidth and gain bandwidth via three-wave noncollinear interactions. The spectral bandwidth is determined by expanding the wave-vector mismatch in a Taylor series and retaining terms through second order. The model takes into account the effects of crystal length, noncollinear angle, group velocity, group-velocity dispersion and gain coefficient. The relation between parametric bandwidth and gain bandwidth is clearly defined. The model is applied to a BBO OPA, a LBO OPA and a CLBO OPA.

Zero-broadening SBS slow light propagation in an optical fiber using two broadband pump beams

A new method of tailoring stimulated Brillouin scattering (SBS) gain spectrum for slow light propagation is proposed by use of two Gaussian-shaped broadband pump beams with different powers and spectral widths. The central frequency interval between the two pump beams are carefully set to be two inherent Brillouin frequency shift, ensuring that the gain spectrum of one pump has the same central frequency with the loss spectrum of the other one. Different gain profiles are obtained and analyzed. Among them a special gain profile is found that ensures a zero-broadening of the signal pulse independent of the Brillouin gain. This is owing to the compensation between the positive gain-dependent broadening and the negative GVD (group velocity dispersion) dependent broadening. The relationship of two pump beams is also found for constructing such a gain profile. It provides us a new idea of managing the broadening of SBS-based slow pulse by artificially constructing and optimizing the profile of gain spectrum. (c) 2008 Optical Society of America.

Electromagnetic beam profile dynamics in collisional plasmas

The compression of a finite extent Gaussian laser pulse in collisional plasma is investigated. An analytical model is employed to describe the spatiotemporal evolution of a laser pulse propagating through the plasma medium. The pulse geometry is modeled via an appropriate ansatz which takes into account both beam radius (in space) and pulse width (in time). Compression and self-focusing are taken into account via appropriated group velocity dispersion and nonlinearity terms. The competition among the collisional nonlinearity in the plasma and the effect of divergence due to diffraction is pointed out and investigated numerically. Our results suggest that laser pulse compression and intensity localization is enhanced by plasma collisionality. In specific, a pulse width compression by an order of magnitude approximately is observed, for typical collisional laser plasma parameters, along with a significant increase in the intensity.

High contrast plasma mirror: spatial filtering and second harmonic generation at 10(19)Wcm(-2)

Recently, the use of plasma optics to improve temporal pulse contrast has had a remarkable impact on the field of high- power laser-solid density interaction physics. Opening an avenue to previously unachievable plasma density gradients in the high intensity focus, this advance has enabled researchers to investigate new regimes of harmonic generation and ion acceleration. Until now, however, plasma optics for fundamental laser reflection have been used in the sub-relativistic intensity regime (10(15) - 10(16)Wcm(-2)) showing high reflectivity (similar to 70%) and good focusability. Therefore, the question remains as to whether plasma optics can be used for such applications in the relativistic intensity regime (> 10(18)Wcm(-2)). Previous studies of plasma mirrors (PMs) indicate that, for 40 fs laser pulses, the reflectivity fluctuates by an order of magnitude and that focusability of the beam is lost as the intensity is increased above 5 x 10(16)Wcm(-2). However, these experiments were performed using laser pulses with a contrast ratio of similar to 10(7) to generate the reflecting surface. Here, we present results for PM operation using high contrast laser pulses resulting in a new regime of operation - the high contrast plasma mirror (HCPM). In this regime, pulses with contrast ratio > 10(10) are used to form the PM surface at > 10(19)Wcm(-2), displaying excellent spatial filtering, reflected near- field beam profile of the fundamental beam and reflectivities of 60 +/- 5%. Efficient second harmonic generation is also observed with exceptional beam quality suggesting that this may be a route to achieving the highest focusable harmonic intensities. Plasma optics therefore offer the opportunity to manipulate ultra-intense laser beams both spatially and temporally. They also allow for ultrafast frequency up-shifting without detrimental effects due to group velocity dispersion (GVD) or reduced focusability which frequently occur when nonlinear crystals are used for frequency conversion.

Modulational instability in asymmetric coupled wave functions

The evolution of the amplitude of two nonlinearly interacting waves is considered, via a set of coupled nonlinear Schrödinger-type equations. The dynamical profile is determined by the wave dispersion laws (i.e. the group velocities and the group velocity dispersion terms) and the nonlinearity and coupling coefficients, on which no assumption is made. A generalized dispersion relation is obtained, relating the frequency and wave-number of a small perturbation around a coupled monochromatic (Stokes') wave solution. Explicitly stability criteria are obtained. The analysis reveals a number of possibilities. Two (individually) stable systems may be destabilized due to coupling. Unstable systems may, when coupled, present an enhanced instability growth rate, for an extended wave number range of values. Distinct unstable wavenumber windows may arise simultaneously.

Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

Técnicas de monitorização em redes ópticas de próxima geração

In this work several techniques to monitor the performance of optical networks were developed. These techniques are dedicated either to the measurement of the data signal parameters (optical signal to noise ratio and dispersion) or to the detection of physical failures on the network infrastructure. The optical signal to noise ratio of the transmitted signal was successfully monitored using methods based on the presence of Bragg gratings imprinted on high birefringent fibres that allowed the distinction of the signal from the noise due to its polarization properties. The monitoring of the signal group-velocity dispersion was also possible. In this case, a method based on the analysis of the electric spectrum of the signal was applied. It was experimentally demonstrated that this technique is applicable on both amplitude and phase modulated signals. It was also developed a technique to monitor the physical infrastructure of an optical access network. Once again, the application of Bragg gratings (this time imprinted on standard single mode fibres) was the basis of the developed method.

Inversão de dados de ondas de superfície Rayleigh

Neste trabalho compilamos informações sobre um grande número de medidas de velocidade de grupo para ondas Rayleigh do modo fundamental, com período até 100 segundos. Tais dados consistiram de informações retiradas da literatura geofísica e cobriram toda a Terra. Parte dos dados foi organizada em trabalhos anteriores e uma segunda parte foi apresentada aqui de forma inédita. Para a América do Sul, selecionamos os principais conjuntos de dados de tais ondas e elaboramos diversos perfis onde a distribuição de velocidade de ondas cisalhantes foi obtida a partir da inversão das curvas de dispersão de velocidade de grupo. Tais perfis serviram para termos uma ideia inicial da estrutura interna da Terra em nosso continente. Com o conjunto global de dados de velocidade de grupo foi possível obtermos os mapas de distribuição lateral de valores de velocidade para cada período referencial entre 20 e 100 segundos. Tais mapas foram produzidos da mesma forma que os mapas de velocidade de fase de ROSA (1986), onde a amostragem for para realizada para blocas medindo 10x10 graus, englobando toda a Terra, em projeção mercator. O valor de velocidade de grupo em cada bloco, para cada período, foi obtido a partir da inversão estocástica dos dados de anomalia de velocidade em relação aos modelos regionalizados de JORDAN (1981) com os valores de velocidade de grupo de ROSA et al. (1992). Os mapas de velocidade de grupo obtidos aqui foram então empregados, na América do Sul, com os valores de velocidade de fase dos mapas obtidos por ROSA (1986). Assim, foi possível determinarmos, em profundidade, os mapas de variação de velocidade de onda cisalhante e os mapas de distribuição de valores de densidade. Com isto, pudemos construir o primeiro mapa de profundidade do Moho (todo do Manto Superior) da América do Sul.

Inspeção de materiais compósitos utilizando ondas acústicas guiadas

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Strong spectral filtering for a mode-locked similariton fiber laser

We propose a novel mode-locked fiber laser design that relies on attracting similariton solutions in fiber amplifiers with normal group-velocity dispersion and strong spectral filtering to compensate increased pulse duration and bandwidth. Stable high-energy, large-bandwidth pulses are obtained that can be linearly compressed, resulting in ultrashort pulses.

Nonlinear spectral shaping and optical rogue events in fiber-based systems

We provide an overview of our recent work on the shaping and stability of optical continua in the long pulse regime. Fibers with normal group-velocity dispersion at all-wavelengths are shown to allow for highly coherent continua that can be nonlinearly shaped using appropriate initial conditions. In contrast, supercontinua generated in the anomalous dispersion regime are shown to exhibit large fluctuations in the temporal and spectral domains that can be controlled using a carefully chosen seed. A particular example of this is the first experimental observation of the Peregrine soliton which constitutes a prototype of optical rogue-waves.

Hybrid squeezing of solitonic resonant radiation in photonic crystal fibers

We report the existence of a kind of squeezing in photonic crystal fibers which is conceptually intermediate between four-wave-mixing-induced squeezing in which all the participant waves are monochromatic waves, and self-phase-modulation-induced squeezing for a single pulse in a coherent state. This hybrid squeezing occurs when an arbitrary short soliton emits quasimonochromatic resonant radiation near a zero-group-velocity-dispersion point of the fiber. Photons around the resonant frequency become strongly correlated due to the presence of the classical soliton, and a reduction of the quantum noise below the shot-noise level is predicted. © 2011 American Physical Society.