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

Meenu Kajal

Ph.D. thesis (2014)

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Abstract

The telecommunication networks are facing increasing demand to implement all-optical networkinfrastructure 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 broadcastingapplications is that these are much more distributed and multi-point in nature unlike thetraditional point-to-point communication networks. Currently deployed high-speed electroniccomponents in the optical networks are incapable of handling the unprecedented bandwidthdemand for real-time multimedia based broadcasting. The solution essentially lies in increasingthe transparency of networks i.e. by replacing high speed signal processing electronics with allopticalsignal processors capable of performing signal manipulations such as wavelengthswitching, time and wavelength division multiplexing, optical pulse compression etc. all inoptical domain. This thesis aims at providing an all-optical solution for broadband wavelengthconversion and tunable broadcasting, a crucial optical network component, based on quasi-phasematchedwave mixing in nonlinear materials. The quasi phase matching (QPM) technique allowsphase matching in long crystal lengths by employing domain-inverted gratings to periodicallyreverse the sign of nonlinearity, known as periodic poling. This results into new frequencycomponents with high conversion efficiency and has been successfully implemented towardsvarious processes such as second harmonic generation (SHG), sum- and difference- frequencygeneration (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 channelalso 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 cascadedSFG/DFG. While a DFG process utilized a pump wavelength in 775nm regime, it suffered fromlow efficiency due to mode mismatch between the pump and the signal wavelengths; whereas thetechnique based on cSHG/DFG or cSFG/DFG eliminated the mode mismatch problem withpump(s) lying in the 1.55 μm wavelength regime. In this thesis, for the first time a flattenedbandwidth of cSFG/DFG have been experimentally realized by slight detuning of the pumpwavelengths from their phase matching condition. Moreover, employing two closely spacedpumps in a cSFG/DFG process in a PPLN waveguide, a signal has been broadcast to three idlersin C-band.

Résumé

Les réseaux de télécommunication sont confrontés à une demande croissante de mettre en oeuvreune infrastructure de réseaux tout-optique pour permettre le déploiement à grande échelle denouveaux services à haut débit triple jeu (i.e. IPTV, vidéo sur demande, voix sur IP). L'un desdéfis avec ces applications de diffusion vidéo, c'est que celle-ci sont beaucoup plus distribuées etde nature multi-points, contrairement aux réseaux traditionnels de communication point à point.Les composants électroniques à haut débit actuellement déployés dans les réseaux optiques sontincapables de gérer la demande sans précédent en bande passante pour la radiodiffusion en tempsréel des sources multimédia. La solution réside essentiellement dans l'augmentation de latransparence des réseaux, i.e. en remplaçant l'électronique de traitement du signal à haute vitessepar des processeurs de signaux tout-optiques, capables d'effectuer des opérations telles que lacommutation de longueurs d'onde, multiplexage en fréquence et en temps, la compressiond'impulsions optiques, et ce, entièrement dans le domaine optique. Cette thèse vise à fournir unesolution tout-optique pour la conversion de longueurs d'onde à large bande et la radiodiffusionsélective en longueur d'onde, desoutils essentiels des réseaux de communication optique, basésur 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 longscristaux en utilisant des structures (réseaux) de domaines inversés périodiquement, ce qui permetde faire varier le signe de la non-linéarité selon le domaine ; principe connu sous le nom depolarisation périodique du cristal. Il en résulte de nouveaux composants de fréquence à hauteefficacité de conversion qui ont été mis en oeuvre avec succès pour divers procédés tels que lagénération de seconde harmonique (SHG), la génération de somme fréquences (SFG) et lagénération de différence de fréquences (DFG).Conventionnellement, les réseaux de communication optique ont une fenêtre de fonctionnementde ~35 nm centrée à 1,55 μm, connue sous le nom de bande C. La conversion de longueursd'onde d'un signal d'entrée d'un canal dans la bande C à un canal de sortie également dans labande 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 cascadeSHG/DFG et en cascade (c-) SFG/DFG. Bien que ces techniques aient été mises en oeuvre pourgénérer de la conversion de longueurs d'onde dans la bande C à l'aide de PPLN, le but de cettethèse 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.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Raman Kashyap
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1347/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 11 Apr 2014 14:10
Last Modified: 10 Nov 2022 15:32
Cite in APA 7: Kajal, M. (2014). Design and Implementation of Novel Nonlinear Processes in Bulk and Waveguide Periodic Structures [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1347/

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