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Design and Implementation of Novel Nonlinear Processes in Bulk and Waveguide Periodic Structures

Meenu Kajal

PhD thesis (2014)

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Cite this document: Kajal, M. (2014). Design and Implementation of Novel Nonlinear Processes in Bulk and Waveguide Periodic Structures (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/1347/
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Abstract

Les réseaux de télécommunication sont confrontés à une demande croissante de mettre en oeuvre une infrastructure de réseaux tout-optique pour permettre le déploiement à grande échelle de nouveaux services à haut débit triple jeu (i.e. IPTV, vidéo sur demande, voix sur IP). L’un des défis avec ces applications de diffusion vidéo, c’est que celle-ci sont beaucoup plus distribuées et de nature multi-points, contrairement aux réseaux traditionnels de communication point à point. Les composants électroniques à haut débit actuellement déployés dans les réseaux optiques sont incapables de gérer la demande sans précédent en bande passante pour la radiodiffusion en temps réel des sources multimédia. La solution réside essentiellement dans l'augmentation de la transparence des réseaux, i.e. en remplaçant l'électronique de traitement du signal à haute vitesse par des processeurs de signaux tout-optiques, capables d'effectuer des opérations telles que la commutation de longueurs d'onde, multiplexage en fréquence et en temps, la compression d’impulsions optiques, et ce, entièrement dans le domaine optique. Cette thèse vise à fournir une solution tout-optique pour la conversion de longueurs d'onde à large bande et la radiodiffusion sélective en longueur d’onde, desoutils essentiels des réseaux de communication optique, basé sur le principe du mélange d'ondes avec quasi-accord de phase dans les matériaux non linéaires. La technique de quasi-accord de phase (QPM) permet d’obtenir un accord de phase dans de longs cristaux en utilisant des structures (réseaux) de domaines inversés périodiquement, ce qui permet de faire varier le signe de la non-linéarité selon le domaine ; principe connu sous le nom de polarisation périodique du cristal. Il en résulte de nouveaux composants de fréquence à haute efficacité de conversion qui ont été mis en oeuvre avec succès pour divers procédés tels que la génération de seconde harmonique (SHG), la génération de somme fréquences (SFG) et la génération de différence de fréquences (DFG). Conventionnellement, les réseaux de communication optique ont une fenêtre de fonctionnement de ~35 nm centrée à 1,55 μm, connue sous le nom de bande C. La conversion de longueurs d'onde d'un signal d’entrée d’un canal dans la bande C à un canal de sortie également dans la bande C, a été démontrée dans des guides d’onde de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN) par l'intermédiaire d’un procédé de mélange de différence de fréquences en cascade SHG/DFG et en cascade (c-) SFG/DFG. Bien que ces techniques aient été mises en oeuvre pour générer de la conversion de longueurs d’onde dans la bande C à l’aide de PPLN, le but de cette thèse est de surmonter certaines de leurs limites en proposant des améliorations dans la conception des réseaux de PPLN pour la conversion de longueur d'onde accordable et de l’émission flexible en longueur d’onde. ----------Abstract The telecommunication networks are facing increasing demand to implement all-optical network infrastructure for enabling the wide deployment of new triple play high-speed services (e.g. IPTV, Video On Demand, Voice over IP). One of the challenges with such video broadcasting applications is that these are much more distributed and multi-point in nature unlike the traditional point-to-point communication networks. Currently deployed high-speed electronic components in the optical networks are incapable of handling the unprecedented bandwidth demand for real-time multimedia based broadcasting. The solution essentially lies in increasing the transparency of networks i.e. by replacing high speed signal processing electronics with alloptical signal processors capable of performing signal manipulations such as wavelength switching, time and wavelength division multiplexing, optical pulse compression etc. all in optical domain. This thesis aims at providing an all-optical solution for broadband wavelength conversion and tunable broadcasting, a crucial optical network component, based on quasi-phasematched wave mixing in nonlinear materials. The quasi phase matching (QPM) technique allows phase matching in long crystal lengths by employing domain-inverted gratings to periodically reverse the sign of nonlinearity, known as periodic poling. This results into new frequency components with high conversion efficiency and has been successfully implemented towards various processes such as second harmonic generation (SHG), sum- and difference- frequency generation (SFG and DFG). Conventionally, the optical networks has an operation window of ~35 nm centered at 1.55 μm, known as C-band. The wavelength conversion of a signal channel in C-band to an output channel also in the C-band has been demonstrated in periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguides via the process of difference frequency mixing, cascaded SHG/DFG and cascaded SFG/DFG. While a DFG process utilized a pump wavelength in 775nm regime, it suffered from low efficiency due to mode mismatch between the pump and the signal wavelengths; whereas the technique based on cSHG/DFG or cSFG/DFG eliminated the mode mismatch problem with pump(s) lying in the 1.55 μm wavelength regime. In this thesis, for the first time a flattened bandwidth of cSFG/DFG have been experimentally realized by slight detuning of the pump wavelengths from their phase matching condition. Moreover, employing two closely spaced pumps in a cSFG/DFG process in a PPLN waveguide, a signal has been broadcast to three idlers in C-band.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie physique
Dissertation/thesis director: Raman Kashyap
Date Deposited: 11 Apr 2014 14:10
Last Modified: 27 Jun 2019 16:48
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1347/

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