Modulation instability in high power laser amplifiers

The modulation instability (MI) is one of the main factors responsible for the degradation of beam quality in high-power laser systems. The so-called B-integral restriction is commonly used as the criteria for MI control in passive optics devices. For amplifiers the adiabatic model, assuming locally the Bespalov-Talanov expression for MI growth, is commonly used to estimate the destructive impact of the instability. We present here the exact solution of MI development in amplifiers. We determine the parameters which control the effect of MI in amplifiers and calculate the MI growth rate as a function of those parameters. The safety range of operational parameters is presented. The results of the exact calculations are compared with the adiabatic model, and the range of validity of the latest is determined. We demonstrate that for practical situations the adiabatic approximation noticeably overestimates MI. The additional margin of laser system design is quantified. © 2010 Optical Society of America.

Optimal packing for cascaded regenerative transmission based on phase sensitive amplifiers

We investigate the transmission performance of advanced modulation formats in nonlinear regenerative channels based on cascaded phase sensitive amplifiers. We identify the impact of amplitude and phase noise dynamics along the transmission line and show that after a cascade of regenerators, densely packed single ring PSK constellations outperform multi-ring constellations. The results of this study will greatly simplify the design of future nonlinear regenerative channels for ultra-high capacity transmission. © 2013 Optical Society of America.

Multi-wavelength regeneration of phase encoded signals based on phase sensitive amplifiers

Future high capacity optical links will have to make use of frequent signal regeneration to enable long distance transmission. In this respect, the role of all-optical signal processing becomes increasingly important because of its potential to mitigate signal impairments at low cost and power consumption. More substantial benefits are expected if regeneration is achieved simultaneously on a multiple signal band. Until recently, this had been achieved only for on-off keying modulation formats. However, as in future transmission links the information will be encoded also in the phase for enhancing the spectral efficiency, novel subsystem concepts will be needed for multichannel processing of such advanced signal formats. In this paper we show that phase sensitive amplifiers can be an ideal technology platform for developing such regenerators and we discuss our recent demonstration of the first multi-channel regenerator for phase encoded signals.

Stochastic calculations for fibre Raman amplifiers with randomly varying birefringence

For the first time for the model of real-world forward-pumped fibre Raman amplifier with the randomly varying birefringence, the stochastic calculations have been done numerically based on the Kloeden-Platen-Schurz algorithm. The results obtained for the averaged gain and gain fluctuations as a function of polarization mode dispersion (PMD) parameter agree quantitatively with the results of previously developed analytical model. Simultaneously, the direct numerical simulations demonstrate an increased stochastisation (maximum in averaged gain variation) within the region of the polarization mode dispersion parameter of 0.1÷0.3 ps/km1/2. The results give an insight into margins of applicability of a generic multi-scale technique widely used to derive coupled Manakov equations and allow generalizing analytic model with accounting for pump depletion, group-delay dispersion and Kerr-nonlinearity that is of great interest for development of the high-transmission-rates optical networks.

Polarisation phenomena in mode locked fibre lasers and fibre Raman amplifiers griffon tutorial

For a fibre Raman amplifier with randomly varying birefringence, we provide insight on the validity of previously explored multi-scale techniques leading to polarisation pulling of the signal state of polarisation to the pump state of polarisation. Unlike previous study, we demonstrate that in addition to polarisation pulling a new random birefringence-mediated phenomenon that goes beyond existing multi-scale techniques can boost resonance-like gain fluctuations similar to the Stochastic Anti-Resonance. For mode locked fibre lasers we report on fast and slow polarisation dynamics of fundamental, bound state, and multipulsing vector solitons along with stretched pulses. We demonstrate that tuning cavity anisotropy and birefringence along with parameters of an injected signal with randomly varying state of polarisation provides access to the variety of vector waveforms previously unexplored.

On the theory of the modulation instability in optical fiber and laser amplifiers

The modulation instability (MI) in optical fiber amplifiers and lasers with anomalous dispersion leads to CW beam breakup and the growth of multiple pulses. This can be both a detrimental effect, limiting the performance of amplifiers, and also an underlying physical mechanism in the operation of MI-based devices. Here we revisit the analytical theory of MI in fiber optical amplifiers. The results of the exact theory are compared with the previously used adiabatic approximation model, and the range of applicability of the latter is determined. The same technique is applicable to the study of spatial MI in solid state laser amplifiers and MI in non-uniform media. © 2011 SPIE.

Activated escape from polarization pulling in fibre Raman amplifiers

Fluctuation-induced escape (FIE) from a metastable state with probability controlled by external force is a process inherent in many physical phenomena such as diffusion in crystals, protein folding, activated chemical reactions etc. [1-3]. In this work we present a novel example of FIE problem, considering a very practical nonlinear system recently emerged in the area of fibre telecommunications. Unlike the standard FIE problems where noise is time-dependent, in fibre Raman amplifier (FRA) the role of noise is played by frozen fluctuations of parameters (random birefringence) along the fibre span which result from the breaking of cylindrical symmetry during the fibre drawing [4-6]. The role of periodic forcing in this problem is played by the periodic fibre spinning, leading to key model that is formally similar to the time-domain equations for periodically forced escape [1-3]. © 2011 IEEE.

On the theory of the modulation instability in optical fiber amplifiers

The modulation instability (MI) in optical fiber amplifiers and lasers with anomalous dispersion leads to cw radiation breakup. This can be both a detrimental effect limiting the performance of amplifiers and an underlying physical mechanism in the operation of MI-based devices. Here we revisit the analytical theory of MI in fiber optical amplifiers. The results of the exact theory are compared with the previously used adiabatic approximation model, and the range of applicability of the latter is determined. © 2010 Optical Society of America.

Gain bandwidth optimisation and enhancement in ultra-long Raman fibre laser based amplifiers

We show experimentally a 57nm gain bandwidth for an ultra-long Raman fiber laser based amplification technique using only a single pump wavelength. The enhanced gain bandwidth and gain flatness is investigated for single and multi-cavity designs. ©2010 IEEE.

Characterisation of cascaded Raman-assisted fibre optical parametric amplifiers using WDM QPSK signals

We report the first WDM numerical characterisation of crosstalk growth in cascaded Raman-Assisted Fibre Optical Parametric Amplifiers (RA-FOPAs). A cascade of ten RA-FOPAs results in ∼13dB lower crosstalk than the equivalent cascade of conventional FOPAs.

Reconfigurable Matching Networks for RF Amplifiers

This article presents applications of reconfigurable matching networks for RF amplifier design. Two possible solutions are given, one where the switching element is a PIN diode, and the other is based on graphene. Due to the fact that its conductivity depends on applied bias voltage, the graphene-based circuits can be used in microwave circuits as controllable elements. The structure of the proposed switch is very simple and it is particularly convenient for microstrip-based circuits. Because of that, a design of reconfigurable amplifier with the graphene-based switch is presented together with the one which has the PIN diode switch. Both amplifiers have the same specifications, and the one with the PIN diode switch is fabricated. The amplifier utilizing the PIN switch was used as a reference to make a comparison the two types of switches. Results of both amplifiers are very similar which indicates possible future applications of the graphene-based switch.

Joint Power Amplifiers and I/Q Modulator Impairments Modelling and Compensation for LTE Transmitters Using Artificial Neural Networks

This work introduces joint power amplifier (PA) and I/Q modulator modelling and compensation for LongTerm Evolution (LTE) transmitters using artificial neural networks (ANNs). The proposed solution util-izes a powerful nonlinear autoregressive with exogenous inputs (NARX) ANN architecture, which yieldsnoticeable results for high peak to average power ratio (PAPR) LTE signals. Given the ANNs learning capa-bilities, this one-step solution, which includes the mitigation of both PA nonlinearity and I/Q modulatorimpairments, is both accurate and adaptable

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.

Spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers enabling space-division multiplexing

L’augmentation exponentielle de la demande de bande passante pour les communications laisse présager une saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications qui devrait se matérialiser au cours de la prochaine décennie. En effet, la théorie de l’information prédit que les effets non linéaires dans les fibres monomodes limite la capacité de transmission de celles-ci et peu de gain à ce niveau peut être espéré des techniques traditionnelles de multiplexage développées et utilisées jusqu’à présent dans les systèmes à haut débit. La dimension spatiale du canal optique est proposée comme un nouveau degré de liberté qui peut être utilisé pour augmenter le nombre de canaux de transmission et, par conséquent, résoudre cette menace de «crise de capacité». Ainsi, inspirée par les techniques micro-ondes, la technique émergente appelée multiplexage spatial (SDM) est une technologie prometteuse pour la création de réseaux optiques de prochaine génération. Pour réaliser le SDM dans les liens de fibres optiques, il faut réexaminer tous les dispositifs intégrés, les équipements et les sous-systèmes. Parmi ces éléments, l’amplificateur optique SDM est critique, en particulier pour les systèmes de transmission pour les longues distances. En raison des excellentes caractéristiques de l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) utilisé dans les systèmes actuels de pointe, l’EDFA est à nouveau un candidat de choix pour la mise en œuvre des amplificateurs SDM pratiques. Toutefois, étant donné que le SDM introduit une variation spatiale du champ dans le plan transversal de la fibre, les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium spatialement intégrés (SIEDFA) nécessitent une conception soignée. Dans cette thèse, nous examinons tout d’abord les progrès récents du SDM, en particulier les amplificateurs optiques SDM. Ensuite, nous identifions et discutons les principaux enjeux des SIEDFA qui exigent un examen scientifique. Suite à cela, la théorie des EDFA est brièvement présentée et une modélisation numérique pouvant être utilisée pour simuler les SIEDFA est proposée. Sur la base d’un outil de simulation fait maison, nous proposons une nouvelle conception des profils de dopage annulaire des fibres à quelques-modes dopées à l’erbium (ED-FMF) et nous évaluons numériquement la performance d’un amplificateur à un étage, avec fibre à dopage annulaire, à ainsi qu’un amplificateur à double étage pour les communications sur des fibres ne comportant que quelques modes. Par la suite, nous concevons des fibres dopées à l’erbium avec une gaine annulaire et multi-cœurs (ED-MCF). Nous avons évalué numériquement le recouvrement de la pompe avec les multiples cœurs de ces amplificateurs. En plus de la conception, nous fabriquons et caractérisons une fibre multi-cœurs à quelques modes dopées à l’erbium. Nous réalisons la première démonstration des amplificateurs à fibre optique spatialement intégrés incorporant de telles fibres dopées. Enfin, nous présentons les conclusions ainsi que les perspectives de cette recherche. La recherche et le développement des SIEDFA offriront d’énormes avantages non seulement pour les systèmes de transmission future SDM, mais aussi pour les systèmes de transmission monomode sur des fibres standards à un cœur car ils permettent de remplacer plusieurs amplificateurs par un amplificateur intégré.

Nonlinear distortion generation mechanisms in Doherty amplifiers

Nowadays, wireless communications systems demand for greater mobility and higher data rates. Moreover, the need for spectral efficiency requires the use of non-constant envelope modulation schemes. Hence, power amplifier designers have to build highly efficient, broadband and linear amplifiers. In order to fulfil these strict requirements, the practical Doherty amplifier seems to be the most promising technique. However, due to its complex operation, its nonlinear distortion generation mechanisms are not yet fully understood. Currently, only heuristic interpretations are being used to justify the observed phenomena. Therefore, the main objective of this work is to provide a model capable of describing the Doherty power amplifier nonlinear distortion generation mechanisms, allowing the optimization of its design according to linearity and efficiency criteria. Besides that, this approach will allow a bridge between two different worlds: power amplifier design and digital pre-distortion since the knowledge gathered from the Doherty operation will serve to select the most suitable pre-distortion models.