Stacked Modulation Formats Enabling Highest-Sensitivity Optical Free-Space Communications

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit hochempfindlichen optischen Kommunikationssystemen, wie sie z.B. bei Intersatellitenlinks verwendet werden. Theoretische Überlegungen zur Steigerung der Empfängerempfindlichkeit werden mit Simulations- und Messergebnissen ergänzt und verifiziert. Auf Grund der steigenden Nachfrage nach optischen Links zwischen Satelliten stellt sich die Frage, was sind geeignete Eckparameter, um ein solches System zu beschreiben. Die gigantischen Datenmengen, die von diversen Messgeräten, wie z.B. hochauflösende Kameras auf einem Satelliten generiert werden, bringen die Kapazitäten klassischer HF-Datenlinks an ihre Grenzen. Hier können optische Kommunikationssysteme auf Grund ihrer hohen Trägerfrequenz im Infrarotbereich sehr hohe Datenraten im Terabit/s Bereich ermöglichen. Systeme mit Radiowellen im GHz Bereich als Trägerfrequenz sind hier deutlich limitierter. [7] Linkdistanz, verfügbare Leistung, Pointinggenauigkeit und verfügbare Antennengröße sind einige Parameter, die einen wichtigen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems haben. Je größer die Distanz und desto kleiner die verfügbare Antennengröße sowohl am Sender als auch am Empfänger sind, desto weniger Signalleistung wird den Detektor erreichen. Nimmt man dann noch ungenaues Pointing hinzu, d.h. Sender und Empfänger sind nicht exakt aufeinander ausgerichtet, treten zusätzliche Verluste auf. [7] Ziel dieser Arbeit ist es, ein vereinfachtes System zu implementieren und zu testen, das mit möglichst wenigen Photonen pro Bit bei einer gegebenen Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei einer möglichst hohen Datenrate arbeiten kann. Hierfür werden alle Freiheitsgrade einer optischen Welle zur Modulation verwendet, um mit sog. „Stapeln“ von Modulationsformaten eine Empfindlichkeitssteigerung zu erreichen. Die Amplitude des Signals wird durch Pulspositionsmodulation (PPM) moduliert, wobei das zeitlich variable Vorhandensein eines Pulses innerhalb des Symbols die Information enthält. Dieses Modulationsformat weist bis dato die höchste Empfindlichkeit in Literatur und Experimenten auf [4]. Je mehr Möglichkeiten es gibt, einen Puls in einem Symbol zu platzieren, desto höher ist die zu erwartende Empfindlichkeit des Systems. Mit anderen Worten: Steigert man die zeitliche Dauer eines PPM-Symbols, so wächst ebenfalls die Empfängerempfindlichkeit. Da bei diesem Ansatz die Datenrate sinkt, wird in dieser Arbeit eine andere Methode vorgestellt, die Empfindlichkeit eines Übertragungssystems zu steigern, ohne die Symbollänge unnötig in die Länge zu ziehen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Stapeln (sog. „Stacking“) von Modulationsformaten, in dem neben der Amplitudenmodulation weitere Freiheitsgrade, wie die Frequenz, Phase und Polarisation geschickt genutzt werden. Bei der Frequenzumtastung (FSK) wird die optische Frequenz je nach Symbol um ein gewisses Maß verschoben. Bei der polarisations-geschalteten Quadratur-Phasenumtastung (PS-QPSK) werden sowohl die Phase, als auch die Polarisation der optischen Welle moduliert [12]. Als Endergebnis erhält man PPM-FSK-PS-QPSK als Modulationsformat mit hoher Empfindlichkeit. Gegenüber dem reinen PPM wird eine theoretische Empfindlichkeitssteigerung von mehr als 1 dB erreicht. Sowohl Simulations- als auch Messergebnisse bestätigen den Empfindlichkeitsgewinn

Advanced adaptive compensation system for free-space optical communications

Massive amounts of information are created daily in commercial fields like earth observation, that must be downloaded to earth ground stations in the short time of a satellite pass. Today, much of the collected information must be dropped due to lack of bandwidth, and laser downlinks can offer tenths of gigabits throughput solving this bottleneck limitation. In a down-link scenario, the performance of laser satellite communications is limited due to atmospheric turbulence, which causes fluctuations in the intensity and the phase of the received signal leading to an increase in bit error probability. In principle, a single-aperture phase-compensated receiver, based on adaptive optics, can overcome atmospheric limitations by adaptive tracking and correction of atmospherically induced aberrations. However, under strong-turbulence situations, the effectiveness of traditional adaptive optics systems is severely compromised. In such scenarios, sensor-less techniques offer robustness, hardware simplicity, and easiness of implementation and integration at a reduced cost, but the state-of-the-art approaches still require too many iterations to perform the correction, exceeding the temporal coherence of the field and thus falling behind the field evolution. This thesis proposes a new iterative AO technique for strong turbulence compensation that reduces the correction time, bridging the limitation of similar systems in lasercom applications. It is based on the standard sensor-less system design, but it additionally uses a short-exposure focal intensity image to accelerate the correction. The technique combines basic principles of Fourier optics, image processing, and quadratic signal optimization to correct the wave-front. This novel approach directly updates the phases of the most intense focal-plane speckles, maximizing the power coupled into a single-mode fiber convexly. Numerical analyses show that this method has a robust and excellent performance under very strong turbulence. Laboratory results confirm that a focal speckle pattern can be used to accelerate the iterative compensation. This technique delivers nearly twofold bandwidth reduction compared with standard methods, and sufficient signal gain and stability to allow high throughput data transmission with nearly error-free performance in emulated satellite downlink scenarios. A property highlight is the in-advance knowledge of the required number of iterations, allowing on-demand management of the loop bandwidth in different turbulent regimes. Besides remaining conceptually and technically simple, it opens a new insight to iterative solutions that may lead to the development of new methods. With further refinement, this technique can surely contribute to making possible the use of iterative solutions in laser communicationsSatélites de observación de la tierra diariamente generan gigantescas cantidades de datos que deben ser enviados a estaciones terrenas. La mayoría de la información recolectada debe desecharse debido al reducido tiempo visible de un satélite en movimiento y el limitado ancho de banda de transmisión. Enlaces ópticos pueden solucionar esta limitación ofreciendo multi-gigabit de ancho de banda. Sin embargo, el desempeño de un downlink laser está limitado por la turbulencia atmosférica, la cual induce variaciones en la intensidad y la fase de la señal recibida incrementando la probabilidad de error en los datos recibidos. En principio, un receptor basado en una apertura simple utilizando óptica adaptativa puede corregir las aberraciones de fase inducidas por la atmósfera, mejorando el canal de transmisión. Sin embargo, la eficiencia de los sistemas de óptica adaptativa tradicionales se ve seriamente reducida en situaciones de turbulencia fuerte. En tales escenarios, técnicas iterativas ofrecen mayor robustez, simplicidad de diseño e implementación, así como también facilidad de integración a un costo reducido. Desafortunadamente, dicha tecnología aún requiere demasiadas iteraciones para corregir la fase distorsionada, excediendo el tiempo de coherencia del frente de onda. Esta tesis propone una nueva técnica iterativa de óptica adaptativa capaz de reducir el tiempo de convergencia en escenarios de turbulencia fuerte. La técnica utiliza el diseño tradicional de los sistemas de corrección iterativos, agregando el uso de una imagen focal de intensidad para acelerar el proceso de corrección del campo distorsionado. En dicha técnica se combinan principios básicos de óptica de Fourier, procesamiento de imagen, y optimización cuadrática de la señal para corregir el frente de onda. De esta forma, la fase de los puntos focales de mayor intensidad (speckles) puede modificarse directamente y con ello maximizar de forma convexa la potencia acoplada en fibra. Los análisis numéricos demuestran robustez y un excelente desempeño en escenarios de turbulencia fuerte. Los resultados de laboratorio confirman que el moteado de intensidad puede utilizarse para acelerar la corrección iterativa. Esta técnica utiliza la mitad del ancho de banda requerido con la técnica tradicional, al mismo tiempo que ofrece suficiente ganancia y estabilidad de la señal para lograr enlaces ópticos con muy baja probabilidad de error. Al mismo tiempo, la técnica propuesta permite conocer con anticipación el número total de iteraciones y posibilita la administración bajo demanda del ancho de banda requerido en diferentes escenarios de turbulencia. Esta tesis ofrece una mirada diferente a los métodos iterativos, posibilitando el desarrollo de nuevos conceptos y contribuyendo al uso de soluciones iterativas en comunicaciones laser por espacio libre.Postprint (published version

Novel Specialty Optical Fibers and Applications

Novel Specialty Optical Fibers and Applications focuses on the latest developments in specialty fiber technology and its applications. The aim of this reprint is to provide an overview of specialty optical fibers in terms of their technological developments and applications. Contributions include:1. Specialty fibers composed of special materials for new functionalities and applications in new spectral windows.2. Hollow-core fiber-based applications.3. Functionalized fibers.4. Structurally engineered fibers.5. Specialty fibers for distributed fiber sensors.6. Specialty fibers for communications

Development and Characterisation of a Fibre Frequency Reference

In this thesis, a passive, all optical fibre frequency reference is developed and characterised. The system uses long armlength difference interferometers to measure fluctuations of laser frequency. The phase readout is handled by digital interferometry (DI), which uses spread-spectrum modulation to extract interference signals from the desired range gate with high dynamic range. The frequency stability of the fibre reference is characterised using a differential measurement between two near-identical interferometers. We achieve a relative stability of 0.1 Hz/rt(Hz) above 70 Hz Fourier frequency, which surpasses previous demonstrations of fibre optic references. Building on prior fibre reference investigations, the new system discussed here is designed around an unbalanced Mach-Zehnder interferometer, removing the impact of first-order Rayleigh backscattering as seen in previous designs. The implementation of DI is modified to enable real-time phase reconstruction instead of at a decimated speed, reducing non-linear errors and improving readout fidelity. The new interferometers are individually enclosed in two updated dual-layer passive isolation chambers. In system characterisation, we provide the first long-term temperature analysis of the isolation chambers. Their individual time constant is modelled and experimentally measured, at 13.2 hrs and 11.4 hrs respectively. The 14% difference between the two chambers is in alignment with the temperature independence observed in a three-reference optical measurement. We also comprehensively survey the laboratory mechanical profile, and identify the driving source for each mechanical feature in the experimental noise floor. In addition to temperature and mechanical stability, noise limitations in other Fourier regimes are also identified and characterised. We adapt the Duan fibre thermal noise model for a long armlength interferometer, and experimentally achieve thermo-mechanical noise limited relative stability between 0.4 - 2 Hz. We also develop the first quantitative model for double Rayleigh scattering (DRS) in a fibre interferometer including effects from DI integration and suppression. The modelled contribution from DRS is shown to be in close agreement with the experimental noise floor above 70 Hz Fourier frequencies. The achieved 0.1 Hz/rt(Hz) frequency stability represents the state-of-the-art performance for fibre references and is comparable with room temperature cavity systems. This makes our system a potential alternative for laser frequency stabilisation at short timescales, particularly in applications where the robustness of fibre systems and their intrinsic optical alignment are important considerations

Micro/Nano Devices for Blood Analysis, Volume II

The development of micro- and nanodevices for blood analysis continues to be a growing interdisciplinary subject that demands the careful integration of different research fields. Following the success of the book “Micro/Nano Devices for Blood Analysis”, we invited more authors from the scientific community to participate in and submit their research for a second volume. Researchers from different areas and backgrounds cooperated actively and submitted high-quality research, focusing on the latest advances and challenges in micro- and nanodevices for diagnostics and blood analysis; micro- and nanofluidics; technologies for flow visualization and diagnosis; biochips, organ-on-a-chip and lab-on-a-chip devices; and their applications to research and industry

Flow and combustion in axisymmetric furnaces

Imperial Users onl

Polymer Films for Photovoltaic Applications

Reprints of Polymers Special Issue entitled "Polymer films for photovoltaic applications", which covers all fields related to polymer films for photovoltaic applications, but special attention will be given to the following aspects:- The synthesis and suitable modification of polymer structure, to obtain polymer thin films for PV devices;- The influence of film deposition (thermal vacuum evaporation (TVE), chemical vapor deposition (CVD), spin coating, spray, etc.) on the properties of polymer films;- The thermo-optical properties of polymer thin films and blends of polymer films, as potential parts of PV systems;- The influence of doping or protonation of polymer thin films and blend polymer films on their properties;- Polymer thin films as active layers in PV solar cells—correlation of chemical structure and PV properties;- BHJ solar cells with polymer blends films—the choice of blend film composition to obtain the best PV parameters

Back-end Design of the Readout System for Cryogenic Particle Detectors

Diese Arbeit widmet sich dem Design und der Entwicklung des digitalen Back-Ends (D-BE) für Raumtemperatur-Ausleseelektronik, die in kryogenen Quantendetektoren verwendet wird. Der Schwerpunkt liegt auf Anwendungen im Zusammenhang mit Experimenten zur Kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB, im Englischen \textit{Cosmic Microwave Background radiation} genannt), jedoch ist die Technologie anpassbar für Partikeldetektionsexperimente. Zwei Schlüsselprojekte stehen im Mittelpunkt dieser Forschung: das QUBIC-Projekt zur Erkennung der B-Mode-Polarisation des CMB und das ECHo-Experiment, das darauf abzielt, eine neue Obergrenze für die Bestimmung der Neutrinomasse im Sub-eV-Bereich festzulegen. In diesen Projekten werden Übergangskanten-Sensoren (TES) und magnetische Mikrokalorimeter (MMCs) eingesetzt. Im Fall des QUBIC-Projekts werden die TES unter Verwendung von Zeitaufteilungsmultiplexing (TDM) gemultiplext. Es wurde jedoch ein Vorschlag für einen neuen Bolo\-meter-Typ namens Magnetischer Mikrobolometer (MMB) in der QUBIC-Kollaboration vorgestellt, der die Implementierung eines Frequenzaufteilungsmultiplexing (FDM)-Sys\-tems ermöglicht. Dies könnte durch die Verwendung eines Mikrowellen-Supraleiter-Quan\-teninterferenzgerät (SQUID)-Multiplexers ($\mu$MUX) erreicht werden, ähnlich wie bei den MMCs im ECHo-Experiment. Zur Erleichterung der Auslese der gemultiplexten Detektoren wird ein mehrtoniges Signal erzeugt, wobei jede Frequenztonkomponente einen $\mu$MUX-Kanal innerhalb des Kryostaten überwacht. Dieses Signal passiert dann einen rauscharmen Verstärker (LNA, im Englischen \textit{Low-Noise Amplifier} genannt), der in der Regel in der 4 K-Stufe liegt, bevor es das Hochfrequenz-Front-End (RF-FE) erreicht. Das RF-FE umfasst Hochfrequenzelektronik, die sowohl mit dem D-BE als auch mit der Elektronik im Kryostaten verbunden ist. Diese Arbeit stellt eine neuartige Anwendung des Goertzel-Filters zur Kanalisierung von mehrtonigen Signalen vor. Durch Simulationen, die mit einem in dieser Arbeit entwickelten auf Python basierenden Softwarepaket durchgeführt wurden, wurde die optimale Konfiguration für die Signalgenerierung und -erfassung in Bezug auf Rauschleistung, Abschirmung gegen Übersprechen und Systemlinearität ermittelt. Diese Arbeit zeigt, wie dieser Ansatz effizient in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) implementiert werden kann, was die Skalierbarkeit bei der Auslese mehrerer Sensoren ermöglicht. Diese Skalierung is im Besonderen in Anwendungen wie Radioteleskopen für CMB-Messungen, kryogenen Kalorimetern für die Partikeldetektion und Quantencomputing entscheidend. Umfangreiche Validierungsexperimente zeigen, wie die Implementierung dieses Filtersatzes die Kanalisierung des mehrtonigen Eingangssignals zur Wiederherstellung der von den Detektoren aufgezeichneten Daten ermöglicht