Amplified optomechanics in a unidirectional ring cavity

We investigate optomechanical forces on a nearly lossless scatterer, such as an atom pumped far off-resonance or amicromirror, inside an optical ring cavity. Our model introduces two additional features to the cavity: an isolator is used to prevent circulation and resonant enhancement of the pump laser field and thus to avoid saturation of or damage to the scatterer, and an optical amplifier is used to enhance the effective Q-factor of the counterpropagating mode and thus to increase the velocity-dependent forces by amplifying the back-scattered light. We calculate friction forces, momentum diffusion, and steady-state temperatures to demonstrate the advantages of the proposed setup.

High-efficiency low-voltage-stress Class-EF PA with extended maximum operating frequency

The Class-EF power amplifier (PA) introduced recently has a peak switch voltage much lower than the well-known Class-E PA. However, the value of the transistor output capacitance at high frequencies is typically larger than the required Class-EF optimum shunt capacitance. As a result, softswitching operation that minimizes power dissipation during OFF-to-ON transient cannot be achieved at high frequencies. A novel Class-EF topology with transmission-line load network proposed in this paper allows the PA to operate at much higher frequencies without trading the other figures of merit. Closed-form formulations are derived to simultaneously satisfy the Class-EF impedances requirement at fundamental frequency, all even harmonics, and the first two odd harmonics as well as to provide matching to 50O load. © 2011 Institut fur Mikrowellen.

Integrated Low-Loss Passive SiGe Power Splitter and Combiner Operating Across 78-86 GHz Band

This paper describes the design, implementation, and characterization of a new type of passive power splitting and combining structure for use in a differential four-way power-combining amplifier operating at E-band. In order to achieve lowest insertion loss, input and output coils inductances are resonated with shunt capacitances. Simple C-L-C and L-C networks are proposed in order to compensate inductive loading due to routing line that would otherwise introduce mismatch and increase loss. Across 78-86 GHz band, measured insertion loss is about 7 dB. Measured return losses are >10 dB from 73 GHz to 94 GHz at the input port and >9 dB from 60 GHz to 94 GHz at the output port. When integrated with driver and power amplifier cells, the simulated complete circuit exhibits 18.2 dB gain and 20.3 dBm saturated output power.

Growth of Gold Nanocrystals Incorporated with Magnetic Microbead-based Separation as a Tool for Quantification of Biological Interactions

Au nanoparticles (AuNPs) have been widely used not only as optical labels or ‘weight” labels for the detections of biorecognition events but also an amplifier of surface plasmon resonance biosensors. The intrinsic property of gold nuclei composing of a group of Au atoms to catalyze the reduction of metal ions on the NPs and thereby to enlarge the metallic nanoparticles is employed in different biosensing paths. In a solution containing Au+ ions (e.g. HAuCl4) and the Au clusters, hydrated electrons which are reduced from oxidation of reducers (H2O2, sodium citrate, ascorbic acid, or NaBH4) will be used to reduce the Au+ ion leading to the deposition of Au+ to the Au0 (Au clusters). The reaction will be catalyzed continuously by the Au0 until the Au+ ions and hydrated electrons are exhausted. As a result, the AuNPs will be grown and their optical properties are also changed. If the AuNP nanoclusters are used as probes, the color change will be dependent on amount of analytes, thus give a quantitative monitoring of the analytes.

In this study, we incorporate the use of magnetic beads with the nanocrystalline growth to quantify a target protein based on immunoreactions. Prostate specific antigen (PSA) is chosen as the target analyte because of its values in diagnosis of prostate cancer. A double-sandwiched immunoassay is performed by gold-tagged monoclonal PSA antibody-PSA antigen – magnetic bead-tagged polyclonal PSA antibody interactions. After the immunoreactions, the target analytes are preconcentrated and separated by the magnetic beads while the nanogrowth plays a role of colorimetric signal developer.

The result shows that this is a very sensitive, robust and excellent strategy to detect biological interactions. PSA antigen is detected at femtomolar level with very high specificity under the presence of undesired proteins of crude samples. Furthermore, the method also shows great potential to detect other biological interactions. More details will be described in our presentation.

Interferometer for Co-operating Target Motion Detection

A correlation interferometer working with a cooperation target operating at 2.2GHz center frequency is presented. This simplified interferometer presented here uses a
lock-in amplifier to significantly increase system sensitivity when used in conjunction with a co-operating target signaling using amplitude modulation. The system is verified by detecting the angular velocity of passing tagged target. Experimental results show detectable range up over 110 meters in a multipath environment using a 10dBm EIRP tag.

Holistic design of 8-way combining transformers in SiGe technology for use in millimetre-wave power amplifiers

This paper presents the design of a novel 8-way power-combining transformer for use in mm-wave power amplifier (PA). The combiner exhibits a record low insertion loss of 1.25 dB at 83.5 GHz. A complete circuit comprised of a power splitter, two-stage cascode PA array, a power combiner and input/output matching elements was designed and realized in SiGe technology. Measured gain of at least 16.8 dB was obtained from 76.4 GHz to 85.3 GHz with a peak 19.5 dB at 83 GHz. The prototype delivered 12.5 dBm OP and 14 dBm saturated output power when operated from a 3.2 V DC supply voltage at 78 GHz. © 2013 IEEE.

On the MIMO Capacity with Residual Transceiver Hardware Impairments

Radio-frequency (RF) impairments in the transceiver hardware of communication systems (e.g., phase noise (PN), high power amplifier (HPA) nonlinearities, or in-phase/quadrature-phase (I/Q) imbalance) can severely degrade the performance of traditional multiple-input multiple-output (MIMO) systems. Although calibration algorithms can partially compensate these impairments, the remaining distortion still has substantial impact. Despite this, most prior works have not analyzed this type of distortion. In this paper, we investigate the impact of residual transceiver hardware impairments on the MIMO system performance. In particular, we consider a transceiver impairment model, which has been experimentally validated, and derive analytical ergodic capacity expressions for both exact and high signal-to-noise ratios (SNRs). We demonstrate that the capacity saturates in the high-SNR regime, thereby creating a finite capacity ceiling. We also present a linear approximation for the ergodic capacity in the low-SNR regime, and show that impairments have only a second-order impact on the capacity. Furthermore, we analyze the effect of transceiver impairments on large-scale MIMO systems; interestingly, we prove that if one increases the number of antennas at one side only, the capacity behaves similar to the finite-dimensional case. On the contrary, if the number of antennas on both sides increases with a fixed ratio, the capacity ceiling vanishes; thus, impairments cause only a bounded offset in the capacity compared to the ideal transceiver hardware case.

High-Efficiency Harmonic-Peaking Class-EF Power Amplifiers with Enhanced Maximum Operating Frequency

The recently introduced Class-EF power amplifier (PA) has a peak switch voltage lower than that of the Class-E PA. However, the value of the transistor output capacitance at high frequencies is typically larger than the required Class-EF optimum shunt capacitance. Consequently, soft-switching operation that minimizes power dissipation during off-to-on transition cannot be achieved at high frequencies. Two new Class-EF PA variants with transmission-line load networks, namely, third-harmonic-peaking (THP) and fifth-harmonic-peaking (FHP) Class-EF PAs are proposed in this paper. These permit operation at higher frequencies at no expense to other PA figures of merit. Analytical expressions are derived in order to obtain circuit component values, which satisfy the required Class-EF impedances at fundamental frequency, all even harmonics, and the first few odd harmonics as well as simultaneously providing impedance matching to a 50- Ω load. Furthermore, a novel open-circuit and shorted stub arrangement, which has substantial practical benefits, is proposed to replace the normal quarter-wave line connected at the transistor's drain. Using GaN HEMTs, two PA prototypes were built. Measured peak drain efficiency of 91% and output power of 39.5 dBm were obtained at 2.22 GHz for the THP Class-EF PA. The FHP Class-EF PA delivered output power of 41.9 dBm with 85% drain efficiency at 1.52 GHz.

Hybrid Millimeter-Wave Systems: A Novel Paradigm for HetNets

Heterogeneous Networks (HetNets) are known to enhance the bandwidth efficiency and throughput of wireless networks by more effectively utilizing the network resources. However, the higher density of users and access points in HetNets introduces significant inter-user interference that needs to be mitigated through complex and sophisticated interference cancellation schemes. Moreover, due to significant channel attenuation and presence of hardware impairments, e.g., phase noise and amplifier nonlinearities, the vast bandwidth in the millimeter-wave band has not been fully utilized to date. In order to enable the development of multi-Gigabit per second wireless networks, we introduce a novel millimeter-wave HetNet paradigm, termed hybrid HetNet, which exploits the vast bandwidth and propagation characteristics in the 60 GHz and 70–80 GHz bands to reduce the impact of interference in HetNets. Simulation results are presented to illustrate the performance advantage of hybrid HetNets with respect to traditional networks. Next, two specific transceiver structures that enable hand-offs from the 60 GHz band, i.e., the V-band to the 70–80 GHz band, i.e., the E-band, and vice versa are proposed. Finally, the practical and regulatory challenges for establishing a hybrid HetNet are outlined.

Instrumental Parasites: Interfacing the Fragile and the Robust

The parasitical relationship between the grand piano and the myriad objects used in its preparation as pioneered by John Cage in the late 1940’s is here discussed from a perspective of free improvisation practice. Preparations can be defined as the use of a “non-instrument” object (screws, bolts, rubbers etc…) to alter or modify the behaviour of an instrument or part of an instrument. Although also present in instrumental practices based on the electric guitar or the drum kit, the piano provides a privileged space of exploration given its large‐scale resonant body. It also highlights the transgressive aspect of preparation (the piano to be prepared often belongs to a venue rather than to the pianist herself, hence highlighting relationships of trust, care and respect). Since 2007 I have used a guitar-object (a small wooden board with strings and pick ups) connected to a small amplifier to prepare the grand piano in my free improvisation practice. This paper addresses the different relationships afforded by this type preparation which is characterised by the fact that the object for preparation is in itself an instrument (albeit a simplified one), and the preparation is ephemeral and intrinsic to the performance. The paper also reflects on the process of designing an interface from and for a particular practice and in collaboration with a guitar luthier.

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.

All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.

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.

All-optical routing functionalities

All-optical solutions for switching and routing packet-based traffic are crucial for realizing a truly transparent network. To meet the increasing requirements for higher bandwidth, such optical packet switched networks may require the implementation of digital functions in the physical layer. This scenario stimulated us to research and develop innovative high-speed all-optical storage memories, focusing mainly on bistables whose state switching is triggered by a pulsed clock signal. In clocked devices, a synchronization signal is responsible for controlling the enabling of the bistable. This thesis also presents novel solutions to implement optical logic gates, which are basic building blocks of any processing system and a fundamental element for the development of complex processing functionalities. Most of the proposed schemes developed in this work are based on SOA-MZI structures due to their inherent characteristics such as, high extinction ratio, high operation speed, high integration capability and compactness. We addressed the experimental implementation of an all-optical packet routing scheme, with contention resolution capability, using interconnected SOAMZIs. The impact on the system performance of the reminiscent power of the blocked packets, from the non ideal switching performed by the SOA-MZIs, was also assessed.

Multi-standard reconfigurable wireless transmitter architectures

The continuous demand for highly efficient wireless transmitter systems has triggered an increased interest in switching mode techniques to handle the required power amplification. The RF carrier amplitude-burst transmitter, i.e. a wireless transmitter chain where a phase-modulated carrier is modulated in amplitude in an on-off mode, according to some prescribed envelope-to-time conversion, such as pulse-width or sigma-delta modulation, constitutes a promising architecture capable of efficiently transmitting signals of highly demanding complex modulation schemes. However, the tested practical implementations present results that are way behind the theoretically advanced promises (perfect linearity and efficiency). My original contribution to knowledge presented in this thesis is the first thorough study and model of the power efficiency and linearity characteristics that can be actually achieved with this architecture. The analysis starts with a brief revision of the theoretical idealized behavior of these switched-mode amplifier systems, followed by the study of the many sources of impairments that appear when the real system is implemented. In particular, a special attention is paid to the dynamic load modulation caused by the often ignored interaction between the narrowband signal reconstruction filter and the usual single-ended switched-mode power amplifier, which, among many other performance impairments, forces a two transistor implementation. The performance of this architecture is clearly explained based on the presented theory, which is supported by simulations and corresponding measured results of a fully working implementation. The drawn conclusions allow the development of a set of design rules for future improvements, one of which is proposed and verified in this thesis. It suggests a significant modification to this traditional architecture, where now the phase modulated carrier is always on – and thus allowing a single transistor implementation – and the amplitude is impressed into the carrier phase according to a bi-phase code.