Exploring a new transmission window for telecommunications in the 2 μm waveband

In this paper, we will demonstrate the possibility of opening a new telecommunications transmission window around the 2 μm wavelength, in order to exploit the potential low loss of hollow-core photonic bandgap fibers, with the benefits of significantly lower non-linearity and latency. We will show recent efforts developing a dense wavelength division multiplexing testbed at this waveband, with 100 GHz spacing wavelength channels and 105 Gbit/s total capacity achieved.

Immunoassays, optical and electrochemical immunosensorsfor tetrodotoxin determination in puffer fish samples

Tetrodotoxin (TTX) is a low molecular weight and potent marine neurotoxin which is usually present in some species of puffer fish. TTX selectively binds to voltage-sensitive sodium channels (VSGCs), blocking the influx of sodium into the cell and affecting neural transmission. The bioaccumulation of this toxin in seafood can poses a risk to human safety. With the purpose of achieving cheap, specific and reliable tools to determine TTX in puffer fish samples, a self-assembled dithiol-based immunoassay, an electrochemical immunosensor and an optical Surface Plasmon Resonance (SPR) immunosensor are proposed. The immunoassay for TTX based on the use of dithiols self-assembled on maleimide-plates (mELISA) has been able to detect as low as 2.28 μg/L of TTX. The effect of different puffer fish matrixes on this mELISA has been quantified and the corresponding correction factors have been established. This
mELISA has enabled to establish the cross-reactivity factors for four TTX analogues: 5,6,11-trideoxy-TTX, 5,6,11-trideoxy-4-anhydro-TTX, 11-nor-TTX-6-ol and 5,11-deoxy-TTX. The crossreactivity factors have also been established by the optical SPR immunosensor previously reported, which had a limit of detection (LOD) of 4.27 μg/L. The mELISA and the SPR immunosensor have then been tested with spiked-puffer fish matrixes, providing an effective
LOD of 0.23 and 0.43 mg/kg respectively, well below the limit set in Japan (2 mg/kg). The mELISA and the SPR immunosensor have also been applied to the analysis of naturally contaminated puffer fish samples, providing similar TTXs contents between techniques and also compared to LC-MS/MS. The suitability of these immunochemical techniques has been demonstrated not only for screening purposes, but also for research activities. Currently, given that dithiols could improve the electron transfer and the sensitivity of an electrochemical assay, the mELISA strategy is being transferred to gold electrodes for the electrochemical detection of TTX and the subsequent development of the multiplexed electrochemical immunosensor.

Fabrication, Optical Analysis and Photonic Applications of Certain Metallic Nanostructure-Integrated Dye Doped Polymer Optical Fibers” submitted by Ms. Suneetha Sebastian

Polymer Optical Fibers have occupied historically a place for large core flexible fibers operating in short distances. In addition to their practical passive application in short-haul communication they constitute a potential research field as active devices with organic dopants. Organic dyes are preferred as dopants over organic semiconductors due to their higher optical cross section. Thus organic dyes as gain media in a polymer fiber is used to develop efficient and narrow laser sources with a tunability throughout the visible region or optical amplifier with high gain. Dyes incorporated in fiber form has added advantage over other solid state forms such as films since the pump power required to excite the molecules in the core of the fiber is less thereby utilising the pump power effectively. In 1987, Muto et.al investigated a dye doped step index polymer fiber laser. Afterwards, numerous researches have been carried out in this area demonstrating laser emission from step index, graded index and hollow optical fibers incorporating various dyes. Among various dyes, Rhodamine6G is the most widely and commonly used laser dye for the last four decades. Rhodamine6G has many desirable optical properties which make it preferable over other organic dyes such as Coumarin, Nile Blue, Curcumin etc. The research focus on the implementation of efficient fiber lasers and amplifiers for short fiber distances. Developing efficient plastic lasers with electrical pumping can be a new proposal in this field which demands lowest possible threshold pump energy of the gain medium in the cavity as an important parameter. One way of improving the efficiency of the lasers, through low threshold pump energy, is by modifying the gain of the amplifiers in the resonator/cavity. Success in the field of Radiative Decay Engineering can pave way to this problem. Laser gain media consisting of dye-nanoparticle composites can improve the efficiency by lowering the lasing threshold and enhancing the photostability. The electric field confined near the surface of metal nanoparticles due to Localized Surface Plasmon Resonance can be very effective for the excitation of active centers to impart high optical gain for lasing. Since the Surface Plasmon Resonance of nanoparticles of gold and silver lies in the visible range, it can affect the spectral emission characteristics of organic dyes such as Rhodamine6G through plasmon field generated by the particles. The change in emission of the dye placed near metal nanoparticles depend on plasmon field strength which in turn depends on the type of metal, size of nanoparticle, surface modification of the particle and the wavelength of incident light. Progress in fabrication of different types of nanostructures lead to the advent of nanospheres, nanoalloys, core-shell and nanowires to name a few. The thesis deals with the fabrication and characterisation of polymer optical fibers with various metallic and bimetallic nanostructures incorporated in the gain media for efficient fiber lasers with low threshold and improved photostability.

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.

Modulateurs intégrés sur silicium pour la transmission de signaux à modulation d'amplitude multi-niveau

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.

Orthogonal chirp division multiplexing for coherent optical fiber communications

In this paper, we propose an orthogonal chirp division multiplexing (OCDM) technique for coherent optical communication. OCDM is the principle of orthogonally multiplexing a group of linear chirped waveforms for high-speed data communication, achieving the maximum spectral efficiency (SE) for chirp spread spectrum, in a similar way as the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) does for frequency division multiplexing. In the coherent optical (CO)-OCDM, Fresnel transform formulates the synthesis of the orthogonal chirps; discrete Fresnel transform (DFnT) realizes the CO-OCDM in the digital domain. As both the Fresnel and Fourier transforms are trigonometric transforms, the CO-OCDM can be easily integrated into the existing CO-OFDM systems. Analyses and numerical results are provided to investigate the transmission of CO-OCDM signals over optical fibers. Moreover, experiments of 36-Gbit/s CO-OCDM signal are carried out to validate the feasibility and confirm the analyses. It is shown that the CO-OCDM can effectively compensate the dispersion and is more resilient to fading and noise impairment than OFDM.