Research on nonlinear and quantum optics at the photonics and quantum information group of the University of Valladolid

We outline the main research lines in Nonlinear and Quantum Optics of the Group of Photonics and Quantum Information at the University of Valladolid. These works focus on Optical Solitons, Quantum Information using Photonic Technologies and the development of new materials for Nonlinar Optics. The investigations on optical solitons cover both temporal solitons in dispersion managed fiber links and nonparaxial spatial solitons as described by the Nonlinear Helmholtz Equation. Within the Quantum Information research lines of the group, the studies address new photonic schemes for quantum computation and the multiplexing of quantum data. The investigations of the group are, to a large extent, based on intensive and parallel computations. Some associated numerical techniques for the development of the activities described are briefly sketched

Timing Jitter In Long-haul WDM Return-To-Zero Systems

Die vorgestellte Arbeit faßt Forschungsergebnisse zum stochastischen Zeitversatz (Timing Jitter) in optischen Langstreckensystemen mit Wellenlängenmultiplex (engl. Wavelength Division Multiplexing (WDM)) und Return-to-Zero (RZ) Modulationsformaten zusammen. Es wurden semi-analytische Berechnungstechniken entwickelt und anhand numerischer Methoden validiert, mit deren Hilfe der Timing Jitter bezüglich des optischen Verstärkerrauschens und der Kreuzphasenmodulation (engl. Cross-Phase Modulation (XPM)) bestimmt werden kann. Der Einfluß verschiedener Übertragungsparameter auf die Akkumulation von Timing Jitter wurde untersucht. Ausgehend von aktuellen Trends im Design von WDM Langstreckensystemen sind Entwicklungsüberlegungen zum Aufbau und der generellen Wirkungsweise von optischen Sendern, der optischen Glasfaserstrecke (inklusive optischer Verstärker), und von optischen Empfängern dargelegt, welche typischerweise für die untersuchten Systeme verwendet werden. Es wurden die Zeit- und Frequenzdynamik von sogenannten Dispersion-Managed Solitons (DMS) und gechirpten RZ (engl. Chirped Return-to-Zero (CRZ)) Pulsen betrachtet, da diese Modulationsformate von großer Bedeutung für WDM Langstreckensysteme sind. Eine der bedeutendsten Ergebnisse der vorgelegten Arbeit ist die Vorstellung eines neuen Ansatzes zur Berechnung von Timing Jitter, hervorgerufen durch Kreuzphasenmodulation zwischen optischen RZ Pulsen welche im Wellenlängenmultiplex über Langstreckensysteme übertragen werden, und dessen Abbildung in einen semi-analytischen Algorithmus. Des weiteren wurde ein kürzlich publizierter Ansatz zur Berechnung von Timing Jitter, hervorgerufen durch optisches Verstärkerrauschen, vorgestellt und in einen semi-analytischen Algorithmus abgebildet. Beide Algorithmen wurden in einer gegebenen kommerziellen Softwareumgebung implementiert und validiert. Die wesentlichen Vorteile der beiden vorgestellten semi-analytischen Algorithmen bestehen in der allgemeinen Anwendbarkeit auf beliebige RZ Pulseformen und der Reduzierung des Berechnungsaufwandes um Größenordnungen im Vergleich zu rein numerischen Methoden. Dies ermöglicht systematische Parameteroptimierungen typischer RZ WDM Langstreckensysteme. Es ist z.B. gezeigt worden, dass die Akkumulation von Timing Jitter sehr stark von der örtlichen Position der Dispersionskompensation und der optischen Verstärker abhängig ist. Weitere kritische Systemparameter sind der WDM Kanalabstand, und die zeitliche Position der RZ Pulse im Bitfenster zu Beginn der Übertragung. Abschließend wurde der Einfluß von Timing Jitter auf die Bitfehlerrate (engl. Bit Error Rate (BER)) untersucht. Es wurde gezeigt, dass das Verhalten der betrachteten Systeme durch Timing Jitter dominiert ist und dass BER Schätzmethoden, die auf der Annahme von Gauss-förmigen Amplitudenverteilungen am Entscheider beruhen, stark verfälschte Resultate liefern

Quantum noise in optical fibers I: stochastic equations

We analyze the quantum dynamics of radiation propagating in a single mode optical fiber with dispersion, nonlinearity, and Raman coupling to thermal phonons. We start from a fundamental Hamiltonian that includes the principal known nonlinear effects and quantum noise sources, including linear gain and loss. Both Markovian and frequency-dependent, non-Markovian reservoirs are treated. This allows quantum Langevin equations to be calculated, which have a classical form except for additional quantum noise terms. In practical calculations, it is more useful to transform to Wigner or +$P$ quasi-probability operator representations. These result in stochastic equations that can be analyzed using perturbation theory or exact numerical techniques. The results have applications to fiber optics communications, networking, and sensor technology.Comment: 1 figur

Recent Progress in Optical Fiber Research

This book presents a comprehensive account of the recent progress in optical fiber research. It consists of four sections with 20 chapters covering the topics of nonlinear and polarisation effects in optical fibers, photonic crystal fibers and new applications for optical fibers. Section 1 reviews nonlinear effects in optical fibers in terms of theoretical analysis, experiments and applications. Section 2 presents polarization mode dispersion, chromatic dispersion and polarization dependent losses in optical fibers, fiber birefringence effects and spun fibers. Section 3 and 4 cover the topics of photonic crystal fibers and a new trend of optical fiber applications. Edited by three scientists with wide knowledge and experience in the field of fiber optics and photonics, the book brings together leading academics and practitioners in a comprehensive and incisive treatment of the subject. This is an essential point of reference for researchers working and teaching in optical fiber technologies, and for industrial users who need to be aware of current developments in optical fiber research areas

Advanced digital signal processing for coherent optical OFDM transmissions

Coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM) has been actively considered as a potential candidate for long-haul transmission and 400 Gb/s to 1 Tb/s Ethernet transport because of its high spectral efficiency, efficient implementation, flexibility and robustness against linear impairments such as chromatic dispersion and polarization mode dispersion. However, due to the long symbol duration and narrow subcarrier spacing, CO-OFDM systems are sensitive to laser phase noise and fibre nonlinearity induced penalties. As a result, the development of CO-OFDM transmission technology crucially relies on efficient techniques to compensate for the laser phase noise and fibre nonlinearity impairments. In this thesis, high performance and low complexity digital signal processing techniques for laser phase noise and fibre nonlinearity compensation in CO-OFDM transmissions are demonstrated. For laser phase noise compensation, three novel techniques, namely quasipilot-aided, decision-directed-free blind and multiplier-free blind are introduced. For fibre nonlinear compensation, two novel techniques which are referred to as phase conjugated pilots and phase conjugated subcarrier coding, are proposed. All these abovementioned digital signal processing techniques offer high performances and flexibilities while requiring relatively low complexities in comparison with other existing phase noise and nonlinear compensation techniques. As a result of the developments of these digital signal processing techniques, CO-OFDM technology is expected to play a significant role in future ultra-high capacity optical network. In addition, this thesis also presents preliminary study on nonlinear Fourier transform based transmission schemes in which OFDM is a highly suitable modulation format. The obtained result paves the way towards a truly flexible nonlinear wave-division multiplexing system that allows the current nonlinear transmission limitations to be exceeded