Design and modeling of optical fibers for spatial division multiplexing using the orbital angular momentum of light

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.

Digital predistortion for compensation of nonlinearities in Radio over Fiber Links

In order to cope up with the ever increasing demand for larger transmission bandwidth, Radio over Fiber technology is a very beneficial solution. These systems are expected to play a major role within future fifth generation wireless networks due to their inherent capillary distribution properties. Nonlinear compensation techniques are becoming increasingly important to improve the performance of telecommunication channels by compensating for channel nonlinearities. Indeed, significant bounds on the technology usability and performance degradation occur due to nonlinear characteristics of optical transmitter, nonlinear generation of spurious frequencies, which, in the case of RoF links exploiting Directly Modulated Lasers , has the combined effect of laser chirp and optical fiber dispersion among its prevailing causes. The purpose of the research is to analyze some of the main causes of harmonic and intermodulation distortion present in Radio over Fiber (RoF) links, and to suggest a solution to reduce their effects, through a digital predistortion technique. Predistortion is an effective and interesting solution to linearize and this allows to demonstrate that the laser’s chirp and the optical fiber’s dispersion are the main causes which generate harmonic distortion. The improvements illustrated are only theoretical, based on a feasibility point of view. The simulations performed lead to significant improvements for short and long distances of radio over fiber link lengths. The algorithm utilized for simulation has been implemented on MATLAB. The effects of chirp and fiber nonlinearity in a directly modulated fiber transmission system are investigated by simulation, and a cost effective and rather simple technique for compensating these effects is discussed. A detailed description of its functional model is given, and its attractive features both in terms of quality improvement of the received signal, and cost effectiveness of the system are illustrated.

The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Analysis of the four wave mixing effect (FWM) in a dispersion decreasing fiber (DDF) for a WDM system

We did a numerical investigation of the propagation of short light pulses in the region of 1.55 mu m and the conversion efficiency (CE) for the four wave mixing generation (FWM) of ordinary and dispersion decreasing fibers for use in wavelength division multiplexing (WDM) systems, Our simulations studies three different profiles, linear, hyperbolic. and constant, One conclude that for all the profiles there is decrease of the conversion efficiency with the increase in the channel separation. The hyperbolic profile present a higher efficiency of around 1000 above in magnitude compared with the others profiles at 0.2 nm of channel separation. We calculate the conversion efficiency versus the fiber length for the three profiles. The conversion efficiency for the hyperbolic profile is higher when compared to the constant and linear profiles. The other interesting point of the hyperbolic profile is that the increase of the CE in the beginning of the fiber does not show my oscillation in the CE value (log eta), which was observed for the constant and linear profiles. For all the profiles there is an increase of the conversion efficiency with the increase of the pump power. The compression factor C-i for the generated FWM signal at omega(3) was measured along the DDF's and the constant profile fibers. One can conclude that with the use of decreasing dispersion profile (DDF) fibers one can have a control of the (CE) conversion efficiency and the compression factor of the four wave mixing (FWM) generation in WDM systems. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

MOLECULAR MODELING OF EPON 862-DETDA / CARBON COMPOSITES

The thermoset epoxy resin EPON 862, coupled with the DETDA hardening agent, are utilized as the polymer matrix component in many graphite (carbon fiber) composites. Because it is difficult to experimentally characterize the interfacial region, computational molecular modeling is a necessary tool for understanding the influence of the interfacial molecular structure on bulk-level material properties. The purpose of this research is to investigate the many possible variables that may influence the interfacial structure and the effect they will have on the mechanical behavior of the bulk level composite. Molecular models are established for EPON 862-DETDA polymer in the presence of a graphite surface. Material characteristics such as polymer mass-density, residual stresses, and molecular potential energy are investigated near the polymer/fiber interface. Because the exact degree of crosslinking in these thermoset systems is not known, many different crosslink densities (degrees of curing) are investigated. It is determined that a region exists near the carbon fiber surface in which the polymer mass density is different than that of the bulk mass density. These surface effects extend ~10 Å into the polymer from the center of the outermost graphite layer. Early simulations predict polymer residual stress levels to be higher near the graphite surface. It is also seen that the molecular potential energy in polymer atoms decreases with increasing crosslink density. New models are then established in order to investigate the interface between EPON 862-DETDA polymer and graphene nanoplatelets (GNPs) of various atomic thicknesses. Mechanical properties are extracted from the models using Molecular Dynamics techniques. These properties are then implemented into micromechanics software that utilizes the generalized method of cells to create representations of macro-scale composites. Micromechanics models are created representing GNP doped epoxy with varying number of graphene layers and interfacial polymer crosslink densities. The initial micromechanics results for the GNP doped epoxy are then taken to represent the matrix component and are re-run through the micromechanics software with the addition of a carbon fiber to simulate a GNP doped epoxy/carbon fiber composite. Micromechanics results agree well with experimental data, and indicate GNPs of 1 to 2 atomic layers to be highly favorable. The effect of oxygen bonded to the surface of the GNPs is lastly investigated. Molecular Models are created for systems with varying graphene atomic thickness, along with different amounts of oxygen species attached to them. Models are created for graphene containing hydroxyl groups only, epoxide groups only, and a combination of epoxide and hydroxyl groups. Results show models of oxidized graphene to decrease in both tensile and shear modulus. Attaching only epoxide groups gives the best results for mechanical properties, though pristine graphene is still favored.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.

Inhibition by poly(acrylic acid) and morphological changes in calcium carbonate and calcium carbonate/calcium sulfate crystallization on silica fibers

An intrinsic exposed core optical fiber sensor (IECOFS) made from fused silica was used to monitor the crystallization of calcium carbonate (CaCO3) and CaCO3/calcium sulfate (CaSO4) composite at 100 and 120 °C in the absence and presence of low-molar-mass (Mn ≤ 2000) poly(acrylic acid) (PAA) with different end groups. The IECOFS responded only to deposition and growth processes on the fiber surface rather than changes occurring in the bulk of the solution. Hexyl isobutyrate-terminated PAA (Mn = 1400) and hexadecyl isobutyrate-terminated PAA (Mn = 1700) were the most effective species in preventing CaCO3 deposition. Phase transformation from vaterite to aragonite/calcite decreased with increasing hydrophobicity of the PAA end group. Low-molar-mass PAA at 10 ppm showed very significant inhibition of CaCO3/CaSO4 composite formation for all end groups investigated.

Carrier concentration dependence of donor activation energy in n-type GaN epilayers grown on Si (111) by plasma-assisted MBE

The n-type GaN layers were grown by plasma-assisted MBE and either intentionally doped with Si or unintentionally doped. The optical characteristics of a donor level in Si-doped, GaN were studied in terms of photoluminescence (PL) spectroscopy as a function of electron concentration. Temperature dependent PL measurements allowed us to estimate the activation energy of a Si-related donor from temperature-induced decay of PL intensity. PL peak positions, full width at half maximum of PL and activation energies are found to be proportional to the cube root of carrier density. The involvement of donor levels is supported by the temperature-dependent electron concentration measurements. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.