Estudo e aplicação de amplificadores ópticos para suporte a redes banda larga

Esta tese tem como foco principal a análise dos principais tipos de amplificação óptica e algumas de suas aplicações em sistemas de comunicação óptica. Para cada uma das tecnologias abordadas, procurou-se definir o estado da arte bem como identificar as oportunidades de desenvolvimento científico relacionadas. Os amplificadores para os quais foi dirigido alguma atenção neste documento foram os amplificadores em fibra dopada com Érbio (EDFA), os amplificadores a semicondutor (SOA) e os amplificadores de Raman (RA). Este trabalho iniciou-se com o estudo e análise dos EDFA’s. Dado o interesse científico e económico que estes amplificadores têm merecido, apenas poucos nichos de investigação estão ainda em aberto. Dentro destes, focá-mo-nos na análise de diferentes perfis de fibra óptica dopada de forma a conseguir uma optimização do desempenho dessas fibras como sistemas de amplificação. Considerando a fase anterior do trabalho como uma base de modelização para sistemas de amplificação com base em fibra e dopantes, evoluiu-se para amplificadores dopados mas em guias de onda (EDWA). Este tipo de amplificador tenta reduzir o volume físico destes dispositivos, mantendo as suas características principais. Para se ter uma forma de comparação de desempenho deste tipo de amplificador com os amplificadores em fibra, foram desenvolvidos modelos de caixa preta (BBM) e os seus parâmetros afinados por forma a termos uma boa modelização e posterior uso deste tipo de amplificiadores em setups de simulação mais complexos. Depois de modelizados e compreendidos os processo em amplificadores dopados, e com vista a adquirir uma visão global comparativa, foi imperativo passar pelo estudo dos processos de amplificação paramétrica de Raman. Esse tipo de amplificação, sendo inerente, ocorre em todas as bandas de propagação em fibra e é bastante flexível. Estes amplificadores foram inicialmente modelizados, e algumas de suas aplicações em redes passivas de acesso foram estudadas. Em especial uma série de requisitos, como por exemplo, a gama de comprimentos de onda sobre os quais existem amplificação e os altos débitos de perdas de inserção, nos levaram à investigação de um processo de amplificação que se ajustasse a eles, especialmente para buscar maiores capacidades de amplificação (nomeadamente longos alcances – superiores a 100 km – e altas razões de divisão – 1:512). Outro processo investigado foi a possibilidade de flexibilização dos parâmetros de comprimento de onda de ganho sem ter que mudar as caractísticas da bomba e se possível, mantendo toda a referenciação no transmissor. Este processo baseou-se na técnica de clamping de ganho já bastante estudada, mas com algumas modificações importantes, nomeadamente a nível do esquema (reflexão apenas num dos extremos) e da modelização do processo. O processo resultante foi inovador pelo recurso a espalhamentos de Rayleigh e Raman e o uso de um reflector de apenas um dos lados para obtenção de laser. Este processo foi modelizado através das equações de propagação e optimizado, tendo sido demonstrado experimentalmente e validado para diferentes tipos de fibras. Nesta linha, e dada a versatilidade do modelo desenvolvido, foi apresentada uma aplicação mais avançada para este tipo de amplificadores. Fazendo uso da sua resposta ultra rápida, foi proposto e analisado um regenerador 2R e analisada por simulação a sua gama de aplicação tendo em vista a sua aplicação sistémica. A parte final deste trabalho concentrou-se nos amplificadores a semiconductor (SOA). Para este tipo de amplificador, os esforços foram postos mais a nível de aplicação do que a nível de sua modelização. As aplicações principais para estes amplificadores foram baseadas em clamping óptico do ganho, visando a combinação de funções lógicas essenciais para a concepção de um latch óptico com base em componentes discretos. Assim, com base num chip de ganho, foi obtido uma porta lógica NOT, a qual foi caracterizada e demonstrada experimentalmente. Esta foi ainda introduzida num esquema de latching de forma a produzir um bi-estável totalmente óptico, o qual também foi demonstrado e caracterizado. Este trabalho é finalizado com uma conclusão geral relatando os subsistemas de amplificação e suas aplicacações.

On Space-Time Trade-Off for Montgomery Multipliers over Finite Fields

La multiplication dans le corps de Galois à 2^m éléments (i.e. GF(2^m)) est une opérations très importante pour les applications de la théorie des correcteurs et de la cryptographie. Dans ce mémoire, nous nous intéressons aux réalisations parallèles de multiplicateurs dans GF(2^m) lorsque ce dernier est généré par des trinômes irréductibles. Notre point de départ est le multiplicateur de Montgomery qui calcule A(x)B(x)x^(-u) efficacement, étant donné A(x), B(x) in GF(2^m) pour u choisi judicieusement. Nous étudions ensuite l'algorithme diviser pour régner PCHS qui permet de partitionner les multiplicandes d'un produit dans GF(2^m) lorsque m est impair. Nous l'appliquons pour la partitionnement de A(x) et de B(x) dans la multiplication de Montgomery A(x)B(x)x^(-u) pour GF(2^m) même si m est pair. Basé sur cette nouvelle approche, nous construisons un multiplicateur dans GF(2^m) généré par des trinôme irréductibles. Une nouvelle astuce de réutilisation des résultats intermédiaires nous permet d'éliminer plusieurs portes XOR redondantes. Les complexités de temps (i.e. le délais) et d'espace (i.e. le nombre de portes logiques) du nouveau multiplicateur sont ensuite analysées: 1. Le nouveau multiplicateur demande environ 25% moins de portes logiques que les multiplicateurs de Montgomery et de Mastrovito lorsque GF(2^m) est généré par des trinômes irréductible et m est suffisamment grand. Le nombre de portes du nouveau multiplicateur est presque identique à celui du multiplicateur de Karatsuba proposé par Elia. 2. Le délai de calcul du nouveau multiplicateur excède celui des meilleurs multiplicateurs d'au plus deux évaluations de portes XOR. 3. Nous determinons le délai et le nombre de portes logiques du nouveau multiplicateur sur les deux corps de Galois recommandés par le National Institute of Standards and Technology (NIST). Nous montrons que notre multiplicateurs contient 15% moins de portes logiques que les multiplicateurs de Montgomery et de Mastrovito au coût d'un délai d'au plus une porte XOR supplémentaire. De plus, notre multiplicateur a un délai d'une porte XOR moindre que celui du multiplicateur d'Elia au coût d'une augmentation de moins de 1% du nombre total de portes logiques.

The Quasi-lattice of Indiscernible Elements

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Uma ferramenta alternativa para síntese de circuitos lógicos usando a técnica de circuito evolutivo

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Experimental Investigation of Three-Dimensional Single and Double optical Lattices

A complete laser cooling setup was built, with focus on threedimensional near-resonant optical lattices for cesium. These consist of regularly ordered micropotentials, created by the interference of four laser beams. One key feature of optical lattices is an inherent ”Sisyphus cooling” process. It efficiently extracts kinetic energy from the atoms, leading to equilibrium temperatures of a few µK. The corresponding kinetic energy is lower than the depth of the potential wells, so that atoms can be trapped. We performed detailed studies of the cooling processes in optical lattices by using the time-of-flight and absorption-imaging techniques. We investigated the dependence of the equilibrium temperature on the optical lattice parameters, such as detuning, optical potential and lattice geometry. The presence of neighbouring transitions in the cesium hyperfine level structure was used to break symmetries in order to identify, which role “red” and “blue” transitions play in the cooling. We also examined the limits for the cooling process in optical lattices, and the possible difference in steady-state velocity distributions for different directions. Moreover, in collaboration with ´Ecole Normale Sup´erieure in Paris, numerical simulations were performed in order to get more insight in the cooling dynamics of optical lattices. Optical lattices can keep atoms almost perfectly isolated from the environment and have therefore been suggested as a platform for a host of possible experiments aimed at coherent quantum manipulations, such as spin-squeezing and the implementation of quantum logic-gates. We developed a novel way to trap two different cesium ground states in two distinct, interpenetrating optical lattices, and to change the distance between sites of one lattice relative to sites of the other lattice. This is a first step towards the implementation of quantum simulation schemes in optical lattices.

DNA Catalysis: The Chemical Repertoire of DNAzymes

Deoxyribozymes or DNAzymes are single-stranded catalytic DNA molecules that are obtained by combinatorial in vitro selection methods. Initially conceived to function as gene silencing agents, the scope of DNAzymes has rapidly expanded into diverse fields, including biosensing, diagnostics, logic gate operations, and the development of novel synthetic and biological tools. In this review, an overview of all the different chemical reactions catalyzed by DNAzymes is given with an emphasis on RNA cleavage and the use of non-nucleosidic substrates. The use of modified nucleoside triphosphates (dN*TPs) to expand the chemical space to be explored in selection experiments and ultimately to generate DNAzymes with an expanded chemical repertoire is also highlighted.

Digital chaotic output from an optically processing element

Digital chaotic behavior in an optically processing element is reported. It is obtained as the result of processing two fixed trains of bits. The process is performed with an optically programmable logic gate, previously reported as a possible main block for optical computing. Outputs for some specific conditions of the circuit are given. Digital chaos is obtained using a feedback configuration. Period doublings in a Feigenbaum‐like scenario are obtained. A new method to characterize this type of digital chaos is reported.

Quasi chaotic digital behaviour in an optically processing

Digital chaotic behavior in an optically processing element is reported. It is obtained as the result of processing two fixed train of bits. The process is performed with an Optically Programmable Logic Gate. Possible outputs for some specific conditions of the circuit are given. These outputs have some fractal characteristics, when input variations are considered. Digital chaotic behavior is obtained by using a feedback configuration. A random-like bit generator is presented.

Concatenated all-optical loop mirror switches

Synthesis of a sharp switching characteristic is experimentally demonstrated by concatenation of nonlinear optical loop mirrors. A novel configuration has been used which results in three terminal operation of the device. This device can be used as a logic gate and for pulse shaping to produce square pulses.

Concatenated all-optical loop mirror switches

Synthesis of a sharp switching characteristic is experimentally demonstrated by concatenation of nonlinear optical loop mirrors. A novel configuration has been used which results in three terminal operation of the device. This device can be used as a logic gate and for pulse shaping to produce square pulses. © 1993 Taylor and Francis Ltd.

METAMATERIAL DEVICE AND USES THEREOF

The present invention relates to a logic gate, comprising a metamaterial surface enhanced Raman scattering (MetaSERS) sensor, comprising (a) alphabetical metamaterials in the form of split ring resonators operating in the wavelength range of from 560 to 2200 nm; and (b) a guanine (G) and thymine (T)-rich oligonucleotide that can, upon presence of potassium cations (K+), fold into a G-quadruplex structure, and in presence of Hg2+, form a T-Hg2+-T hairpin complex that inhibits or disrupts the G-quadruplex structure formed in presence of K+, as well as methods of operating and using such a logic gate.

Electrical characterization of electronic circuits produced by inkjet printing

Dissertação de Mestrado, Engenharia Electrónica e Telecomunicações, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014

A Compact Model incorporating Quantum Effects for Ultra-Thin-Body Double-Gate MOSFETs

We propose a compact model which predicts the channel charge density and the drain current which match quite closely with the numerical solution obtained from the Full-Band structure approach. We show that, with this compact model, the channel charge density can be predicted by taking the capacitance based on the physical oxide thickness, as opposed to C-eff, which needs to be taken when using the classical solution.

Analytical modeling of quantum threshold voltage for triple gate MOSFET

In this work a physically based analytical quantum threshold voltage model for the triple gate long channel metal oxide semiconductor field effect transistor is developed The proposed model is based on the analytical solution of two-dimensional Poisson and two-dimensional Schrodinger equation Proposed model is extended for short channel devices by including semi-empirical correction The impact of effective mass variation with film thicknesses is also discussed using the proposed model All models are fully validated against the professional numerical device simulator for a wide range of device geometries (C) 2010 Elsevier Ltd All rights reserved

Quantum Threshold Voltage Modeling of Short Channel Quad Gate Silicon Nanowire Transistor

In this paper, a physically based analytical quantum linear threshold voltage model for short channel quad gate MOSFETs is developed. The proposed model, which is suitable for circuit simulation, is based on the analytical solution of 3-D Poisson and 2-D Schrodinger equation. Proposed model is fully validated against the professional numerical device simulator for a wide range of device geometries and also used to analyze the effect of geometry variation on the threshold voltage.