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.

Thermodynamics and Heat Transport of doped Spin-Ice Materials

In this thesis the low-temperature magnetism of the spin-ice systems Dy2Ti2O7 and Ho2Ti2O7 is investigated. In general, a clear experimental evidence for a sizable magnetic contribution kappa_{mag} to the low-temperature, zero-field heat transport of both spin-ice materials is observed. This kappa_{mag} can be attributed to the magnetic monopole excitations, which are highly mobile in zero field and are suppressed by a rather small external field resulting in a drop of kappa(H). Towards higher magnetic fields, significant field dependencies of the phononic heat conductivities kappa_{ph}(H) of Ho2Ti2O7 and Dy2Ti2O7 are found, which are, however, of opposite signs, as it is also found for the highly dilute reference materials (Ho0.5Y0.5)2Ti2O7 and (Dy0.5Y0.5)2Ti2O7. The dominant effect in the Ho-based materials is the scattering of phonons by spin flips which appears to be significantly stronger than in the Dy-based materials. Here, the thermal conductivity is suppressed due to enhanced lattice distortions observed in the magnetostriction. Furthermore, the thermal conductivity of Dy2Ti2O7 has been investigated concerning strong hysteresis effects and slow-relaxation processes towards equilibrium states in the low-temperature and low-field regime. The thermal conductivity in the hysteretic regions slowly relaxes towards larger values suggesting that there is an additional suppression of the heat transport by disorder in the non-equilibrium states. The equilibration can even be governed by the heat current for particular configurations. A special focus was put on the dilution series Dy2Ti2O7x. From specific heat measurements, it was found that the ultra-slow thermal equilibration in pure spin ice Dy2Ti2O7 is rapidly suppressed upon dilution with non-magnetic yttrium and vanishes completely for x>=0.2 down to the lowest accessible temperatures. In general, the low-temperature entropy of (Dy1-xYx)2Ti2O7, considerably decreases with increasing x, whereas its temperature-dependence drastically increases. Thus, it could be clarified that there is no experimental evidence for a finite zero-temperature entropy in (Dy1-xYx)2Ti2O7 above x>=0.2, in clear contrast to the finite residual entropy S_{P}(x) expected from a generalized Pauling approximation. A similar discrepancy is also present between S_{P}(x) and the low-temperature entropy obtained by Monte Carlo simulations, which reproduce the experimental data from 25 K down to 0.7 K, whereas the data at 0.4 K are overestimated. A straightforward description of the field-dependence kappa(H) of the dilution series with qualitative models justifies the extraction of kappa_{mag}. It was observed that kappa_{mag} systematically scales with the degree of dilution and its low-field decrease is related to the monopole excitation energy. The diffusion coefficient D_{mag} for the monopole excitations was calculated by means of c_{mag} and kappa_{mag}. It exhibits a broad maximum around 1.6 K and is suppressed for T<=0.5 K, indicating a non-degenerate ground state in the long-time limit, and in the high-temperature range for T>=4 K where spin-ice physics is eliminated. A mean-free path of 0.3 mum is obtained for Dy2Ti2O7 at about 1 K within the kinetic gas theory.

Synthesis and characterization of lanthanum- and yttrium-doped Fe2O3 pigments

MELO, D. M. A. et al. Synthesis and charactezarion of lanthanum and yttrium doped Fe2O3 pigments. Cerâmica, São Paulo, v. 53, p. 79-82, 2007.