Diffractive optics-based heterodyne-detected four-wave mixing signals of protein motion: From “protein quakes” to ligand escape for myoglobin

Ligand transport through myoglobin (Mb) has been observed by using optically heterodyne-detected transient grating spectroscopy. Experimental implementation using diffractive optics has provided unprecedented sensitivity for the study of protein motions by enabling the passive phase locking of the four beams that constitute the experiment, and an unambiguous separation of the Real and Imaginary parts of the signal. Ligand photodissociation of carboxymyoglobin (MbCO) induces a sequence of events involving the relaxation of the protein structure to accommodate ligand escape. These motions show up in the Real part of the signal. The ligand (CO) transport process involves an initial, small amplitude, change in volume, reflecting the transit time of the ligand through the protein, followed by a significantly larger volume change with ligand escape to the surrounding water. The latter process is well described by a single exponential process of 725 ± 15 ns at room temperature. The overall dynamics provide a distinctive signature that can be understood in the context of segmental protein fluctuations that aid ligand escape via a few specific cavities, and they suggest the existence of discrete escape pathways.

Impact of signal-ASE four-wave mixing on the effectiveness of digital back-propagation in 112 Gb/s PM-QPSK systems

Limitations in the performance of coherent transmission systems employing digital back-propagation due to four-wave mixing impairments are reported for the first time. A significant performance constraint is identified, originating from four-wave mixing between signals and amplified spontaneous emission noise which induces a linear increase in the standard deviation of the received field with signal power, and linear dependence on transmission distance.

Inverse four-wave mixing and self-parametric amplification in optical fibre

An important group of nonlinear processes in optical fibre involve the mixing of four waves due to the intensity dependence of the refractive index. It is customary to distinguish between nonlinear effects that require external/pumping waves (cross-phase modulation and parametric processes such as four-wave mixing) and those arising from self-action of the propagating optical field (self-phase modulation and modulation instability). Here, we present a new nonlinear self-action effect—self-parametric amplification—which manifests itself as optical spectrum narrowing in normal dispersion fibre, leading to very stable propagation with a distinctive spectral distribution. The narrowing results from inverse four-wave mixing, resembling an effective parametric amplification of the central part of the spectrum by energy transfer from the spectral tails. Self-parametric amplification and the observed stable nonlinear spectral propagation with a random temporal waveform can find applications in optical communications and high-power fibre lasers with nonlinear intracavity dynamics.

Impact of inter-modal four-wave mixing on the performance of mode- and wavelength-division-multiplexing systems

In this paper, we investigate the impact of inter-modal four-wave mixing on mode- and wavelength-division-multiplexing systems. A set of coupled nonlinear Schrödinger equations, including linear mode coupling, is derived allowing to isolate the inter-modal four-wave mixing terms. The efficiency of inter-modal four-wave mixing between degenerate LP modes is found to be significantly higher than the intra-modal four-wave mixing efficiency. However, it is shown that the inter-modal four-wave mixing efficiency between degenerate modes is significantly reduced by the linear mode coupling.

Suppression of WDM four-wave mixing crosstalk in fibre optic parametric amplifier using Raman-assisted pumping

We perform an extensive numerical analysis of Raman-Assisted Fibre Optical Parametric Amplifiers (RA-FOPA) in the context of WDM QPSK signal amplification. A detailed comparison of the conventional FOPA and RA-FOPA is reported and the important advantages offered by the Raman pumping are clarified. We assess the impact of pump power ratios, channel count, and highly nonlinear fibre (HNLF) length on crosstalk levels at different amplifier gains. We show that for a fixed 200 m HNLF length, maximum crosstalk can be reduced by up to 7 dB when amplifying 10x58Gb/s QPSK signals at 20 dB net-gain using a Raman pump of 37 dBm and parametric pump of 28.5 dBm in comparison to a standard single-pump FOPA using 33.4 dBm pump power. It is shown that a significant reduction in four-wave mixing crosstalk is also obtained by reducing the highly nonlinear fibre interaction length. The trend is shown to be generally valid for different net-gain conditions and channel grid size. Crosstalk levels are additionally shown to strongly depend on the Raman/parametric pump power ratio, with a reduction in crosstalk seen for increased Raman pump power contribution.

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.

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.

Enhanced broadband near-infrared luminescence and optical amplification in Yb-Bi codoped phosphate glasses

Yb-Bi codoped phosphate glass was prepared and its properties were compared with Bi-doped phosphate glass. The broadband infrared luminescence intensity from Yb-Bi codoped glass was similar to 32 times stronger than that of Bi-doped glass. The single-pass optical amplification was measured on a traditional two-wave mixing configuration. No optical amplification was observed in Bi-doped glass, while apparent broadband optical amplification between 1272 and 1336 nm was observed from Yb-Bi codoped glass with 980 nm laser diode excitation. The highest gain coefficient at 1272 nm of Yb-Bi codoped glass reached to 2.62 cm(-1). Yb-Bi codoped phosphate glass is a promising material for broadband optical amplification. (C) 2008 American Institute of Physics.