One-dimensional optical wave turbulence:experiment and theory

We present a review of the latest developments in one-dimensional (1D) optical wave turbulence (OWT). Based on an original experimental setup that allows for the implementation of 1D OWT, we are able to show that an inverse cascade occurs through the spontaneous evolution of the nonlinear field up to the point when modulational instability leads to soliton formation. After solitons are formed, further interaction of the solitons among themselves and with incoherent waves leads to a final condensate state dominated by a single strong soliton. Motivated by the observations, we develop a theoretical description, showing that the inverse cascade develops through six-wave interaction, and that this is the basic mechanism of nonlinear wave coupling for 1D OWT. We describe theory, numerics and experimental observations while trying to incorporate all the different aspects into a consistent context. The experimental system is described by two coupled nonlinear equations, which we explore within two wave limits allowing for the expression of the evolution of the complex amplitude in a single dynamical equation. The long-wave limit corresponds to waves with wave numbers smaller than the electrical coherence length of the liquid crystal, and the opposite limit, when wave numbers are larger. We show that both of these systems are of a dual cascade type, analogous to two-dimensional (2D) turbulence, which can be described by wave turbulence (WT) theory, and conclude that the cascades are induced by a six-wave resonant interaction process. WT theory predicts several stationary solutions (non-equilibrium and thermodynamic) to both the long- and short-wave systems, and we investigate the necessary conditions required for their realization. Interestingly, the long-wave system is close to the integrable 1D nonlinear Schrödinger equation (NLSE) (which contains exact nonlinear soliton solutions), and as a result during the inverse cascade, nonlinearity of the system at low wave numbers becomes strong. Subsequently, due to the focusing nature of the nonlinearity, this leads to modulational instability (MI) of the condensate and the formation of solitons. Finally, with the aid of the probability density function (PDF) description of WT theory, we explain the coexistence and mutual interactions between solitons and the weakly nonlinear random wave background in the form of a wave turbulence life cycle (WTLC).

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.

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.

Monitoring pasture variability: optical OptRx® crop sensor versus Grassmaster II capacitance probe

Estimation of pasture productivity is an important step for the farmer in terms of planning animal stocking, organizing animal lots, and determining supplementary feeding needs throughout the year. The main objective of this work was to evaluate technologies which have potential for monitoring aspects related to spatial and temporal variability of pasture green and dry matter yield (respectively, GM and DM, in kg/ha) and support to decision making for the farmer. Two types of sensors were evaluated: an active optical sensor(OptRx®, which measures the NDVI, Normalized Difference Vegetation Index) and a capacitance probe (GrassMaster II which estimates plant mass). The results showed the potential of NDVI for monitoring the evolution of spatial and temporal patterns of vegetative growth of biodiverse pasture. Higher NDVI values were registered as pasture approached its greatest vegetative vigor, with a significant fall in the measured NDVI at the end of Spring, when the pasture began to dry due to the combination of higher temperatures and lower soil moisture content. This index was also effective for identifying different plant species (grasses/legumes) and variability in pasture yield. Furthermore, it was possible to develop calibration equations between the capacitance and the NDVI (R2 = 0.757; p < 0.01), between capacitance and GM (R2 = 0.799; p<0.01), between capacitance and DM (R2 = 0.630; p<0.01), between NDVI and GM (R2=0.745; p < 0.01), and between capacitance and DM (R2=0.524; p<0.01). Finally, a direct relationship was obtained between NDVI and pasture moisture content (PMC, in %) and between capacitance and PMC (respectively, R2 = 0.615; p<0.01 and R2=0.561; p <0.01) in Alentejo dryland farming systems.

Effective Cell-Centred Time-Domain Maxwell's Equations Numerical Solvers

This research work analyses techniques for implementing a cell-centred finite-volume time-domain (ccFV-TD) computational methodology for the purpose of studying microwave heating. Various state-of-the-art spatial and temporal discretisation methods employed to solve Maxwell's equations on multidimensional structured grid networks are investigated, and the dispersive and dissipative errors inherent in those techniques examined. Both staggered and unstaggered grid approaches are considered. Upwind schemes using a Riemann solver and intensity vector splitting are studied and evaluated. Staggered and unstaggered Leapfrog and Runge-Kutta time integration methods are analysed in terms of phase and amplitude error to identify which method is the most accurate and efficient for simulating microwave heating processes. The implementation and migration of typical electromagnetic boundary conditions. from staggered in space to cell-centred approaches also is deliberated. In particular, an existing perfectly matched layer absorbing boundary methodology is adapted to formulate a new cell-centred boundary implementation for the ccFV-TD solvers. Finally for microwave heating purposes, a comparison of analytical and numerical results for standard case studies in rectangular waveguides allows the accuracy of the developed methods to be assessed.