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.

Class-D audio amplifiers with negative feedback

There are many different designs for audio amplifiers. Class-D, or switching, amplifiers generate their output signal in the form of a high-frequency square wave of variable duty cycle (ratio of on time to off time). The square-wave nature of the output allows a particularly efficient output stage, with minimal losses. The output is ultimately filtered to remove components of the spectrum above the audio range. Mathematical models are derived here for a variety of related class-D amplifier designs that use negative feedback. These models use an asymptotic expansion in powers of a small parameter related to the ratio of typical audio frequencies to the switching frequency to develop a power series for the output component in the audio spectrum. These models confirm that there is a form of distortion intrinsic to such amplifier designs. The models also explain why two approaches used commercially succeed in largely eliminating this distortion; a new means of overcoming the intrinsic distortion is revealed by the analysis. Copyright (2006) Society for Industrial and Applied Mathematics

Harmonic Distortion of Unstrained and Strained FinFETs Operating in Saturation

The harmonic distortion (HD) exhibited by un-strained and biaxially strained fin-shaped field-effect transistors operating in saturation as single-transistor amplifiers has been investigated for devices with different channel lengths L and fin widths W(fin). The study has been performed through device characterization, 3-D device simulations, and modeling. Nonlinearity has been evaluated in terms of second- and third-order HDs (HD2 and HD3, respectively), and a discussion on its physical sources has been carried out. Also, the influence of the open-loop voltage gain AV in HD has been observed.

Junctionless Multiple-Gate Transistors for Analog Applications

This paper presents the evaluation of the analog properties of nMOS junctionless (JL) multigate transistors, comparing their performance with those exhibited by inversion-mode (IM) trigate devices of similar dimensions. The study has been performed for devices operating in saturation as single-transistor amplifiers, and we have considered the dependence of the analog properties on fin width W(fin) and temperature T. Furthermore, this paper aims at providing a physical insight into the analog parameters of JL transistors. For that, in addition to device characterization, 3-D device simulations were performed. It is shown that, depending on gate voltage, JL devices can present both larger Early voltage V(EA) and larger intrinsic voltage gain A(V) than IM devices of similar dimensions. In addition, V(EA) and A(V) are always improved in JL devices when the temperature is increased, whereas they present a maximum value around room temperature for IM transistors.

Analytical solution for the Mollow and Autler-Townes probe absorption spectra of a three-level atom in a squeezed vacuum

The Mellow and Autler-Townes probe absorption spectra of a three-level atom in a cascade configuration with the lower transition coherently driven and also coupled to a narrow bandwidth squeezed-vacuum field are studied. Analytical studies of the modifications caused by the finite squeezed-vacuum bandwidth to the spectra are made for the case when the Rabi frequency of the driving field is much larger than the natural linewidth. The squeezed vacuum center frequency and the driving laser frequency are assumed equal. We show that the spectral features depend on the bandwidth of a squeezed vacuum field and whether the sources of the squeezing field are degenerate (DPA) or nondegenerate (NDPA) parametric amplifiers. In a broadband or narrow bandwidth squeezed vacuum generated by a NDPA, the central component of the Mellow spectrum can be significantly narrower than that in the normal vacuum. When the source of the squeezed vacuum is a DPA, the central feature is insensitive to squeezing. The Rabi sidebands, however, can be significantly narrowed only in the squeezed vacuum produced by the DPA. The two lines of the Autler-Townes absorption spectrum can be narrowed only in a narrow bandwidth squeezed vacuum, whereas they are independent of the phase and are always broadened in a broadband squeezed vacuum.

Er(3+) doped phosphoniobate glasses and planar waveguides: structural and optical properties

Phosphoniobate glasses with composition (mol%) (100-x) NaPO(3)-xNb(2)O(5) ( x varying from 11 to 33) were prepared and characterized by means of thermal analysis, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman scattering and (31)P nuclear magnetic resonance. The addition of Nb(2)O(5) to the polyphosphate base glass leads to depolymerization of the metaphosphate structure. Different colors were observed and assigned as indicating the presence of Nb(4+) ions, as confirmed by electron paramagnetic resonance measurements. The color was observed to depend on the glass composition and melting temperature as well. Er(3+) containing samples were also prepared. Strong emission in the 1550 nm region was observed. The Er(3+4)I(15/2) emission quantum efficiency was observed to be 90% and the quenching concentration was observed to be 1.1 mol%( 1.45 x 10(20) ions cm(-3)). Planar waveguides were prepared by Na(+)-K(+)-Ag(+) ion exchange with Er(3+) containing samples. Optical parameters of the waveguides were measured at 632.8, 543.5 and 1550 nm by the prism coupling technique as a function of the ion exchange time and Ag(+) concentration. The optimized planar waveguides show a diffusion depth of 5.9 mu m and one propagating mode at 1550 nm.

Sol-gel preparation of near-infrared broadband emitting Er(3+)-doped SiO(2)-Ta(2)O(5) nanocomposite films

This article reports a study on the preparation, densification process, and structural and optical properties of SiO(2)-Ta(2)O(5) nanocomposite films obtained by the sol-gel process. The films were doped with Er(3+) and the Si:Ta molar ratio was 90:10. Values of refractive index, thickness and vibrational modes in terms of the number of layers and thermal annealing time are described for the films. The densification process is accompanied by OH group elimination, increase in the refractive index, and changes in film thickness. Full densification of the film is acquired after 90 min of annealing at 900 degrees C. The onset of crystallization and devitrification, with the growth of Ta(2)O(5) nanocrystals occurs with film densification, evidenced by high-resolution transmission electron microscopy. The Er(3+)-doped nanocomposite annealed at 900 degrees C consists of Ta(2)O(5) nanoparticles, with sizes around 2 nm, dispersed in the SiO(2) amorphous phase. The main emission peak of the film is detected at around 1532 nm, which can be assigned to the (4)I(13/2)->(4)I(15/2) transition of the Er(3+) ions present in the nanocomposites. This band has a full width at half medium of 64 nm, and the lifetime measured for the (4)I(13/2) levels is 5.4 ms, which is broader compared to those of other silicate systems. In conclusion, the films obtained in this work are excellent candidates for use as active planar waveguide. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Er(3+)-doped silica-hafnia films for optical waveguides and spherical resonators

In this paper we present some result on sol-gel derived silica-hafnia systems. In particular we focus on fabrication, morphological and spectroscopic assessment of Er(3+)-activated thin films. Two examples of silica-hafnia-derived waveguiding glass ceramics, prepared by top-down and bottom-up techniques are reported, and the main optical properties are discussed. Finally, some properties of activated microspherical resonators, having a silica core, obtained by melting the end of a telecom fiber, coated with an Er(3+)-doped 70SiO(2)-30HfO(2) film, are presented. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Phase waves in mode-locked superfluorescent lasers

We present results from both theoretical and experimental studies of the noise characteristics of mode-locked superfluorescent lasers. The results show that observed macroscopic broadband amplitude noise on the laser pulse train has its origin in quantum noise-initiated ''phase-wave'' fluctuations, and we find an associated phase transition in the noise characteristics as a function of laser cavity detuning.

Influence of gender on the vestibular evoked myogenic potential

There is no consensus on the relevance of factors that influence gender differences in the behavior of muscles. Some studies have reported a relationship between muscle tension and amplitude of the vestibular evoked myogenic potential; others, that results depend on which muscles are studied or on how much load is applied. Aims: This study aims to compare vestibular evoked myogenic potential parameters between genders in young individuals. Methods: Eighty young adults were selected - 40 men and 40 women. Stimuli were averaged tone-bursts at 500 Hz, 90 dBHL intensity, and a 10-1000 Hz bandpass filter with amplification of 10-25 microvolts per division. The recordings were made in 80 ms windows. Study type: An experimental and prospective study. Results: No significant gender differences were found in wave latency - p = 0.19 and p = 0.50 for waves P13 and N23, respectively. No differences were found in amplitude values - p = 0.28 p = 0.40 for waves P13 and N23, respectively. Conclusion: There were no gender differences in latency and amplitude factors; the sternocleidomastoid muscle strain was monitored during the examination.

A Ku-band active transmit-array module with a horn or patch array as a signal launching/receiving device

This paper is concerned with the design of a Ku-band active transmit-array module of transistor amplifiers excited by either a pyramidal horn or a patch array Optimal distances between the active transmit array and the signal-launching:receiving device, which is either a passive corporate-fed array or a horn, are determined to maximise the power gain at a design frequency: Having established these conditions, the complete structure is investigated in terms of operational bandwidth and near-field and far-field distributions measured at the output side of the transmit array, The experimental results show that the use of a corporate-fed array as an illuminating/receiving device gives higher gain and significantly larger operational bandwidth, An explanation for this behavior is sought.

Design, development, and testing of X-band amplifying reflectarrays

The design and development of two X-band amplifying reflectarrays is presented. The arrays use dual-polarized aperture coupled patch antennas with FET transistors and phasing circuits to amplify a microwave signal and to radiate it in a chosen direction. Two cases are considered, one when a reflectarray converts a spherical wave due to a feed horn into a plane wave radiated into a boresight direction, and two, when the reflectarray converts a spherical wave due to a dual-polarized four-element feed array into a co-focal spherical wave. This amplified signal is received in an orthogonal port of the feed array so that the entire structure acts as a spatial power combiner. The two amplifying arrays are tested in the near-field zone for phase distribution over their apertures to achieve the required beam formation. Alternatively, their radiation patterns or gains are investigated.

Stokes-operator-squeezed continuous-variable polarization states

We investigate nonclassical Stokes-operator variances in continuous-wave polarization-squeezed laser light generated from one and two optical parametric amplifiers. A general expression of how Stokes-operator variances decompose into two-mode quadrature operator variances is given. Stokes parameter variance spectra for four different polarization-squeezed states have been measured and compared with a coherent state. Our measurement results are visualized by three-dimensional Stokes-operator noise volumes mapped on the quantum Poincare sphere. We quantitatively compare the channel capacity of the different continuous-variable polarization states for communication protocols. It is shown that squeezed polarization states provide 33% higher channel capacities than the optimum coherent beam protocol.