Estudio de limitaciones en sistemas WDM

Los avances tecnológicos de los últimos años han modificado el panorama de las comunicaciones ópticas. Los amplificadores EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) han alterado dos aspectos fundamentales de los sistemas WDM (Wavelength Division Multiplexing): el aumento considerable de las distancias de regeneración y además, la tecnología WDM es un medio más económico de incrementar la capacidad de los sistemas que la tecnología TDM (Time Division Multiplexing). Sin embargo, la implementación de sistemas WDM con grandes tramos sin regeneración de señal óptica trae consigo la aparición de nuevos problemas, entre los que se encuentran las no-linealidades en fibra óptica. Estas no-linealidades en fibras de sílice se pueden clasificar en dos categorías: dispersión estimulada (de Raman y de Brillouin) y efectos debidos al índice no lineal de refracción (automodulación y modulación cruzada de fase y mezcla de cuatro ondas). Este Proyecto Fin de Carrera pretende ser un estudio teórico que refleje el actual Estado del Arte de los principales efectos no-lineales que se producen en los sistemas WDM: dispersión estimulada de Raman (SRS, Stimulated Raman Scattering), dispersión estimulada de Brillouin (SBS,Stimulated Brilfouin Scattering), automodulación de fase (SPM, Self-Phase Modulation), modulación cruzada de fase (XPM, Cross-Phase Modulation) y mezcla de cuatro ondas (FWM, Four-Wave Mixing).

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

Comment on "Microstructured polymer fiber laser"

We comment on the recent Letter by Argyros et al. [Opt. Lett. 29, 1882 (2004)] in which a microstructured polymer fiber doped with the dye Rhodamine 6G was discussed as a possible fiber laser source. We suggest that the lasing action at 632 nm was due to stimulated Raman scattering in the poly(methyl methacrylate) host material. (c) 2005 Optical Society of America.

10-Gb/s transmission over 100 Mm of standard fiber using 2R regeneration in an optical loop mirror

The transmission of a 10-Gb/s data stream was demonstrated experimentally over a practically unlimited distance in a standard single-mode fiber system using nonlinear optical loop mirrors as simple in-line 2R regenerators. Error-free propagation over 100 000 km has been achieved with terrestrial amplifier spacing. © 2004 IEEE.

Nonlinear loop mirror-based all-optical signal processing in fiber-optic communications

All-optical data processing is expected to play a major role in future optical communications. The fiber nonlinear optical loop mirror (NOLM) is a valuable tool in optical signal processing applications. This paper presents an overview of our recent advances in developing NOLM-based all-optical processing techniques for application in fiber-optic communications. The use of in-line NOLMs as a general technique for all-optical passive 2R (reamplification, reshaping) regeneration of return-to-zero (RZ) on-off keyed signals in both high-speed, ultralong-distance transmission systems and terrestrial photonic networks is reviewed. In this context, a theoretical model enabling the description of the stable propagation of carrier pulses with periodic all-optical self-regeneration in fiber systems with in-line deployment of nonlinear optical devices is presented. A novel, simple pulse processing scheme using nonlinear broadening in normal dispersion fiber and loop mirror intensity filtering is described, and its employment is demonstrated as an optical decision element at a RZ receiver as well as an in-line device to realize a transmission technique of periodic all-optical RZ-nonreturn-to-zero-like format conversion. The important issue of phase-preserving regeneration of phase-encoded signals is also addressed by presenting a new design of NOLM based on distributed Raman amplification in the loop fiber. © 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

All-Raman amplified transmission at 40 Gbit/s in standard single mode fibre

We investigate a 40 Gbit/s all-Raman amplified standard single mode fibre (SMF) transmission system with the mid-range amplifier spacing of 80-90 km. The impact of span configuration on double Rayleigh back scattering (DRBS) was studied. Four different span configurations were compared experimentally. A transmission distance of 1666 km in SMF has been achieved without forward error correcting (FEC) for the first time. The results demonstrate that the detrimental effects associated with high pump power Raman amplification in standard fibre can be minimised by dispersion map optimisation. © 2003 IEEE.

Ultralong Raman fibre lasers as virtually lossless optical media

By transforming the optical fiber span into an ultralong cavity laser, we experimentally demonstrate quasilossless transmission over long (up to 75 km) distances and virtually zero signal power variation over shorter (up to 20 km) spans, opening the way for the practical implementation of integrable nonlinear systems in optical fiber. As a by-product of our technique, the longest ever laser (to the best of our knowledge) has been implemented, with a cavity length of 75 km. A simple theory of the lossless fiber span, in excellent agreement with the observed results, is presented.

Optimization of superstructured fiber bragg gratings for microwave photonic filters response

The microwave photonic responses of superstructured fiber Bragg gratings in combination with dispersive fiber are investigated theoretically and experimentally. The superstructured gratings are optimized, taking account of the spectral response of the broad-band source, Erbium-doped fiber amplifier, and optical tunable filter to achieve a filter response with sidelobe suppression of more than 60 dB. © 2004 IEEE.

Optimization of superstructured fiber Bragg gratings for microwave photonic filters response

The microwave photonic responses of superstructured fiber Bragg gratings in combination with dispersive fiber are investigated theoretically and experimentally. The superstructured gratings are optimized, taking account of the spectral response of the broad-band source, erbium-doped fiber amplifier, and optical tunable filter to achieve a filter response with sidelobe suppression of more than 60 dB.

16,000 km, 10 Gbits-1 soliton transmission over standard fibre by reduction of interactions through optimum amplifier positioning

We show that by optimizing the amplifier position in a two-stage dispersion map, the (dispersion-managed) soliton-soliton interaction can be reduced, enabling transmission of 10-Gbits-1 solitons over standard fiber over 16,000 km

Dual-wavelength, ultralong Raman laser with Rayleigh-scattering feedback

We present experimental demonstration of a 200-km-long, dual-wavelength Raman laser utilizing two slightly different-wavelength fiber Bragg gratings, one on each side of the fiber span. The obtained results clearly prove the generation of two independent Raman lasers with a distributed “random” Rayleigh scattering mirror forming a cavity together with each of the individual fiber Bragg grating reflectors.

Simultaneous spatial and spectral transparency in ultralong fiber lasers

We demonstrate that ultralong Raman lasers can be used to generate a transmission medium with simultaneous transparency over the spatial and the spectral domains. Numerical calculations show this cross-domain transparency to be preserved when the medium is used for transmitting high-intensity signals, which makes ultralong lasers an ideal experimental test bed for the study of multifrequency nonlinear interactions in optical fiber waveguides. Full spatiospectral transparency is experimentally obtained over a 20 nm x 20 km window.

Long-distance soliton transmission through ultralong fiber lasers

We present the first experimental demonstration (to our knowledge) of long-distance unperturbed fundamental optical soliton transmission in conventional single-mode optical fiber. The virtual transparency in the fiber required for soliton transmission, over 15 complete periods, was achieved by using an ultralong Raman fiber laser amplification scheme. Optical soliton pulse duration, pulse bandwidth, and peak intensity are shown to remain constant along the transmission length. Frequency-resolved optical gating spectrograms and numerical simulations confirm the observed optical soliton dynamics.