Polarization insensitive gain medium with hybrid strained quantum well

A polarization insensitive gain medium for optical amplifiers has been fabricated. The active layer is a structure with alternate tensile and compressive strain quantum wells. The waveguide is made into a taper with angled facets. In the experiment we found that the structure can suppress the lasing and decrease the polarization sensitivity. The gain imbalance between transverse electric and transverse magnetic gains is small, and 0.1 dB is obtained at a driving current of 100 mA. The full-width at half-maximum of amplified spontaneous emission is 40 nm within large current. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Influence of a tilted cavity on quantum-dot optoelectronic active devices

Quantum-dot laser diodes (QD-LDs) with a Fabry-Perot cavity and quantum-dot semiconductor optical amplifiers (QD-SOAs) with 7° tilted cavity were fabricated. The influence of a tilted cavity on optoelectronic active devices was also investigated. For the QD-LD, high performance was observed at room temperature. The threshold current was below 30 mA and the slope efficiency was 0.36 W/A. In contrast, the threshold current of the QD-SOA approached 1000 mA, which indicated that low facet reflectivity was obtained due to the tilted cavity design.A much more inverted carrier population was found in the QD-SOA active region at high operating current, thus offering a large optical gain and preserving the advantages of quantum dots in optical amplification and processing applications. Due to the inhomogeneity and excited state transition of quantum dots, the full width at half maximum of the electroluminescence spectrum of the QD-SOA was 81.6 nm at the injection current of 120 mA, which was ideal for broad bandwidth application in a wavelength division multiplexing system. In addition, there was more than one lasing peak in the lasing spectra of both devices and the separation of these peak positions was 6-8 nm,which is approximately equal to the homogeneous broadening of quantum dots.

Effect of SiO2 encapsulation on the nitrogen reorganization in GaNAs/GaAs single quantum well

Effects of SiO2, encapsulation and rapid thermal annealing (RTA) on the optical properties of GaNAs/GaAs single quantum well (SQW) were studied by low temperature photoluminescence (PL). A blueshift of the PL peak energy for both the SiO2-capped region and the bare region was observed. The results were attributed to the nitrogen reorganization in the GaNAs/GaAs SQW. It was also shown that the nitrogen reorganization was obviously enhanced by SiO2 cap-layer. A simple model [1] was used to describe the SiO2-enhanced blueshift of the low temperature PL peak energy.

Rare-earth quinolinates: Infrared-emitting molecular materials with a rich structural chemistry

Near-infrared-emitting rare-earth chelates based on 8-hydroxyquinoline have appeared frequently in recent literature, because they are promising candidates for active components in near-infrared-luminescent optical devices, such as optical amplifiers, organic light-emitting diodes, .... Unfortunately, the absence of a full structural investigation of these rare-earth quinolinates is hampering the further development of rare-earth quinolinate based materials, because the luminescence output cannot be related to the structural properties. After an elaborate structural elucidation of the rare-earth quinolinate chemistry we can conclude that basically three types of structures can be formed, depending on the reaction conditions: tris complexes, corresponding to a 1:3 metal-to-ligand ratio, tetrakis complexes, corresponding to a 1:4 metal-to-ligand ratio, and trimeric complexes, with a 3:8 metal-to-ligand ratio. The intensity of the emitted near-infrared luminescence of the erbium(Ill) complexes is highest for the tetrakis complexes of the dihalogenated 8-hydroxyquinolinates.

Estudo e aplicação de amplificadores ópticos para suporte a redes banda larga

Esta tese tem como foco principal a análise dos principais tipos de amplificação óptica e algumas de suas aplicações em sistemas de comunicação óptica. Para cada uma das tecnologias abordadas, procurou-se definir o estado da arte bem como identificar as oportunidades de desenvolvimento científico relacionadas. Os amplificadores para os quais foi dirigido alguma atenção neste documento foram os amplificadores em fibra dopada com Érbio (EDFA), os amplificadores a semicondutor (SOA) e os amplificadores de Raman (RA). Este trabalho iniciou-se com o estudo e análise dos EDFA’s. Dado o interesse científico e económico que estes amplificadores têm merecido, apenas poucos nichos de investigação estão ainda em aberto. Dentro destes, focá-mo-nos na análise de diferentes perfis de fibra óptica dopada de forma a conseguir uma optimização do desempenho dessas fibras como sistemas de amplificação. Considerando a fase anterior do trabalho como uma base de modelização para sistemas de amplificação com base em fibra e dopantes, evoluiu-se para amplificadores dopados mas em guias de onda (EDWA). Este tipo de amplificador tenta reduzir o volume físico destes dispositivos, mantendo as suas características principais. Para se ter uma forma de comparação de desempenho deste tipo de amplificador com os amplificadores em fibra, foram desenvolvidos modelos de caixa preta (BBM) e os seus parâmetros afinados por forma a termos uma boa modelização e posterior uso deste tipo de amplificiadores em setups de simulação mais complexos. Depois de modelizados e compreendidos os processo em amplificadores dopados, e com vista a adquirir uma visão global comparativa, foi imperativo passar pelo estudo dos processos de amplificação paramétrica de Raman. Esse tipo de amplificação, sendo inerente, ocorre em todas as bandas de propagação em fibra e é bastante flexível. Estes amplificadores foram inicialmente modelizados, e algumas de suas aplicações em redes passivas de acesso foram estudadas. Em especial uma série de requisitos, como por exemplo, a gama de comprimentos de onda sobre os quais existem amplificação e os altos débitos de perdas de inserção, nos levaram à investigação de um processo de amplificação que se ajustasse a eles, especialmente para buscar maiores capacidades de amplificação (nomeadamente longos alcances – superiores a 100 km – e altas razões de divisão – 1:512). Outro processo investigado foi a possibilidade de flexibilização dos parâmetros de comprimento de onda de ganho sem ter que mudar as caractísticas da bomba e se possível, mantendo toda a referenciação no transmissor. Este processo baseou-se na técnica de clamping de ganho já bastante estudada, mas com algumas modificações importantes, nomeadamente a nível do esquema (reflexão apenas num dos extremos) e da modelização do processo. O processo resultante foi inovador pelo recurso a espalhamentos de Rayleigh e Raman e o uso de um reflector de apenas um dos lados para obtenção de laser. Este processo foi modelizado através das equações de propagação e optimizado, tendo sido demonstrado experimentalmente e validado para diferentes tipos de fibras. Nesta linha, e dada a versatilidade do modelo desenvolvido, foi apresentada uma aplicação mais avançada para este tipo de amplificadores. Fazendo uso da sua resposta ultra rápida, foi proposto e analisado um regenerador 2R e analisada por simulação a sua gama de aplicação tendo em vista a sua aplicação sistémica. A parte final deste trabalho concentrou-se nos amplificadores a semiconductor (SOA). Para este tipo de amplificador, os esforços foram postos mais a nível de aplicação do que a nível de sua modelização. As aplicações principais para estes amplificadores foram baseadas em clamping óptico do ganho, visando a combinação de funções lógicas essenciais para a concepção de um latch óptico com base em componentes discretos. Assim, com base num chip de ganho, foi obtido uma porta lógica NOT, a qual foi caracterizada e demonstrada experimentalmente. Esta foi ainda introduzida num esquema de latching de forma a produzir um bi-estável totalmente óptico, o qual também foi demonstrado e caracterizado. Este trabalho é finalizado com uma conclusão geral relatando os subsistemas de amplificação e suas aplicacações.

Alternative techniques for Raman amplification in telecommunications

O presente trabalho centra-se no estudo dos amplificadores de Raman em fibra ótica e suas aplicações em sistemas modernos de comunicações óticas. Abordaram-se tópicos específicos como a simulação espacial do amplificador de Raman, a equalização e alargamento do ganho, o uso de abordagens híbridas de amplificação através da associação de amplificadores de Raman em fibra ótica com amplificadores de fibra dopada com Érbio (EDFA) e os efeitos transitórios no ganho dos amplificadores. As actividades realizadas basearam-se em modelos teóricos, sendo os resultados validados experimentalmente. De entre as contribuições mais importantes desta tese, destaca-se (i) o desenvolvimento de um simulador eficiente para amplificadores de Raman que suporta arquitecturas de bombeamento contraprogantes e bidirecionais num contexto com multiplexagem no comprimento de onda (WDM); (ii) a implementação de um algoritmo de alocação de sinais de bombeamento usando a combinação do algoritmo genético com o método de Nelder- Mead; (iii) a apreciação de soluções de amplificação híbridas por associação dos amplificadores de Raman com EDFA em cenários de redes óticas passivas, nomeadamente WDM/TDM-PON com extensão a região espectral C+L; e (iv) a avaliação e caracterização de fenómenos transitórios em amplificadores para tráfego em rajadas/pacotes óticos e consequente desenvolvimento de soluções de mitigação baseadas em técnicas de clamping ótico.

Radio over fiber broadband access networks architectures based on wavelength division multiplexing techniques

The recent remarkable growth in bandwidth of both wired optical and wireless access networks supports a burst of new high bandwidth Internet applications such as: peer-topeer file sharing, cloud storage, on-line gaming, video streaming, etc. Within this scenario, the convergence of fixed and wireless access networks offers significant opportunities for network operators to satisfy user demands, and simultaneously reduce the cost of implementing and running separated wireless and wired networks. The integration of wired and wireless network can be accomplished within several scenarios and at several levels. In this thesis we will focus on converged radio over fiber architectures, particularly on two application scenarios: converged optical 60 GHz wireless networks and wireless overlay backhauling over bidirectional colorless wavelength division multiplexing passive optical networks (WDM-PONs). In the first application scenario, optical 60 GHz signal generation using external modulation of an optical carrier by means of lithium niobate (LiNbO3) Mach- Zehnder modulators (MZM) is considered. The performance of different optical modulation techniques, robust against fiber dispersion is assessed and dispersion mitigation strategies are identified. The study is extended to 60 GHz carriers digitally modulated with data and to systems employing subcarrier multiplexed (SCM) mm-wave channels. In the second application scenario, the performance of WDM-PONs employing reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs), transmitting an overlay orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) wireless signal is assessed analytically and experimentally, with the relevant system impairments being identified. It is demonstrated that the intermodulation due to the beating of the baseband signal and wireless signal at the receiver can seriously impair the wireless channel. Performance degradation of the wireless channel caused by the RSOA gain modulation owing to the downstream baseband data is also assessed, and system design guidelines are provided.

Modelos de dispositivos de microondas e ópticos através de redes neurais artificiais de alimentação direta

This dissertation contributes for the development of methodologies through feed forward artificial neural networks for microwave and optical devices modeling. A bibliographical revision on the applications of neuro-computational techniques in the areas of microwave/optical engineering was carried through. Characteristics of networks MLP, RBF and SFNN, as well as the strategies of supervised learning had been presented. Adjustment expressions of the networks free parameters above cited had been deduced from the gradient method. Conventional method EM-ANN was applied in the modeling of microwave passive devices and optical amplifiers. For this, they had been proposals modular configurations based in networks SFNN and RBF/MLP objectifying a bigger capacity of models generalization. As for the training of the used networks, the Rprop algorithm was applied. All the algorithms used in the attainment of the models of this dissertation had been implemented in Matlab

Unusual broadening of the NIR luminescence of Er3+-doped Nb2O5 nanocrystals embedded in silica host: Preparation and their structural and spectroscopic study for photonics applications

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Controllo ottico automatizzato di circuiti fotonici integrati: Progettazione, realizzazione e valutazione

In this report a new automated optical test for next generation of photonic integrated circuits (PICs) is provided by the test-bed design and assessment. After a briefly analysis of critical problems of actual optical tests, the main test features are defined: automation and flexibility, relaxed alignment procedure, speed up of entire test and data reliability. After studying varied solutions, the test-bed components are defined to be lens array, photo-detector array, and software controller. Each device is studied and calibrated, the spatial resolution, and reliability against interference at the photo-detector array are studied. The software is programmed in order to manage both PIC input, and photo-detector array output as well as data analysis. The test is validated by analysing state-of-art 16 ports PIC: the waveguide location, current versus power, and time-spatial power distribution are measured as well as the optical continuity of an entire path of PIC. Complexity, alignment tolerance, time of measurement are also discussed.

50th anniversary of the Judd–Ofelt theory: An experimentalist's view of the formalism and its application

The theory on the intensities of 4f-4f transitions introduced by B.R. Judd and G.S. Ofelt in 1962 has become a center piece in rare-earth optical spectroscopy over the past five decades. Many fundamental studies have since explored the physical origins of the Judd–Ofelt theory and have proposed numerous extensions to the original model. A great number of studies have applied the Judd–Ofelt theory to a wide range of rare-earth doped materials, many of them with important applications in solid-state lasers, optical amplifiers, phosphors for displays and solid state lighting, upconversion and quantum-cutting materials, and fluorescent markers. This paper takes the view of the experimentalist who is interested in appreciating the basic concepts, implications, assumptions, and limitations of the Judd–Ofelt theory in order to properly apply it to practical problems. We first present the formalism for calculating the wavefunctions of 4f electronic states in a concise form and then show their application to the calculation and fitting of 4f-4f transition intensities. The potential, limitations and pitfalls of the theory are discussed, and a detailed case study of LaCl3:Er3+ is presented.

Low-power vertical cavity NAND gate

The study of the Vertical-Cavity Semiconductor Optical Amplifiers (VCSOAs) for optical signal processing applications is increasing his interest. Due to their particular structure, the VCSOAs present some advantages when compared to their edge-emitting counterparts including low manufacturing costs, high coupling efficiency to optical fibers and the ease to fabricate 2-D arrays of this kind of devices. As a consequence, all-optical logic gates based on VCSOAs may be very promising devices for their use in optical computing and optical switching in communications. Moreover, since all the boolean logic functions can be implemented by combining NAND logic gates, the development of a Vertical-Cavity NAND gate would be of particular interest. In this paper, the characteristics of the dispersive optical bistability appearing on a VCSOA operated in reflection are studied. A progressive increment of the number of layers compounding the top Distributed Bragg Reflector (DBR) of the VCSOA results on a change on the shape of the appearing bistability from an S-shape to a clockwise bistable loop. This resulting clockwise bistability has high on-off contrast ratio and input power requirements one order of magnitude lower than those needed for edge-emitting devices. Based on these results, an all-optical vertical-cavity NAND gate with high on-off contrast ratio and an input power for operation of only 10|i\V will be reported in this paper.

Integrable high order UWB pulse photonic generator based on cross phase modulation in a SOA-MZI

We propose and experimentally demonstrate a potentially integrable optical scheme to generate high order UWB pulses. The technique is based on exploiting the cross phase modulation generated in an InGaAsP Mach-Zehnder interferometer containing integrated semiconductor optical amplifiers, and is also adaptable to different pulse modulation formats through an optical processing unit which allows to control of the amplitude, polarity and time delay of the generated taps.

UWB Monocycle Generator based on the non-linear effects of an SOA-integrated structure

In this letter, we propose and experimentally demonstrate a novel and single structure to generate ultra-wideband (UWB) pulses by means of the cross-phase modulation present in a semiconductor optical amplifier unified structure. The key components of this system is an integrated Mach-Zehnder interferometer with two semiconductor optical amplifiers and an optical processing unit. The fusion of these two components permits the generation and customization of UWB monocycle pulses. The polarity of the output pulses is easily modified through the single selection of a specific input port. Moreover, the capacity of transmitting several data sequences is demonstrated and the potentiality to adapt the system to different modulation formats is analyzed.

Produção e caracterização de guias de onda dopados com terras-raras contendo nanopartículas semicondutoras.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a produção e caracterização de filmes finos do tipo GeO2-Bi2O3 (BGO) produzidos por sputtering-RF com e sem nanopartículas (NPs) semicondutoras, dopados e codopados com íons de Er3+ ou Er3+/Yb3+ para a produção de amplificadores ópticos. A produção de guias de onda do tipo pedestal baseados nos filmes BGO foi realizada a partir de litografia óptica seguida por processo de corrosão por plasma e deposição física a vapor. A incorporação dos íons de terras-raras (TRs) foi verificada a partir dos espectros de emissão. Análises de espectroscopia e microscopia foram indispensáveis para otimizar os parâmetros dos processos para a construção dos guias de onda. Foi observado aumento significativo da luminescência do Er3+ (região do visível e do infravermelho), em filmes finos codopados com Er3+/Yb3+ na presença de nanopartículas de Si. As perdas por propagação mínimas observadas foram de ~1,75 dB/cm para os guias pedestal em 1068 nm. Para os guias dopados com Er3+ foi observado aumento significativo do ganho na presença de NPs de silício (1,8 dB/cm). O ganho óptico nos guias de onda amplificadores codopados com Er3+/Yb3+ e dopados com Er3+ com e sem NPs de silício também foi medido. Ganho de ~8dB/cm em 1542 nm, sob excitação em 980 nm, foi observado para os guias pedestal codopados com Er3+/Yb3+ (Er = 4,64.1019 átomos/cm3, Yb = 3,60.1020 átomos/cm3) com largura de 80 µm; para os guias codopados com concentração superior de Er3+/Yb3+ (Er = 1,34.1021 átomos/cm3, Yb = 3,90.1021 átomos/cm3) e com NPs de Si, foi observado aumento do ganho óptico de 50% para guia com largura de 100 µm. Os resultados apresentados demonstram que guias de onda baseados em germanatos, com ou sem NPs semicondutoras, são promissores para aplicações em dispositivos fotônicos.