Enabling Technology in Optical Fiber Communications: From Device, System to Networking

This book explores the enabling technology in optical fiber communications. It focuses on the state-of-the-art advances from fundamental theories, devices, and subsystems to networking applications as well as future perspectives of optical fiber communications. The topics cover include integrated photonics, fiber optics, fiber and free-space optical communications, and optical networking

Massive MIMO is a Reality -- What is Next? Five Promising Research Directions for Antenna Arrays

Massive MIMO (multiple-input multiple-output) is no longer a "wild" or "promising" concept for future cellular networks - in 2018 it became a reality. Base stations (BSs) with 64 fully digital transceiver chains were commercially deployed in several countries, the key ingredients of Massive MIMO have made it into the 5G standard, the signal processing methods required to achieve unprecedented spectral efficiency have been developed, and the limitation due to pilot contamination has been resolved. Even the development of fully digital Massive MIMO arrays for mmWave frequencies - once viewed prohibitively complicated and costly - is well underway. In a few years, Massive MIMO with fully digital transceivers will be a mainstream feature at both sub-6 GHz and mmWave frequencies. In this paper, we explain how the first chapter of the Massive MIMO research saga has come to an end, while the story has just begun. The coming wide-scale deployment of BSs with massive antenna arrays opens the door to a brand new world where spatial processing capabilities are omnipresent. In addition to mobile broadband services, the antennas can be used for other communication applications, such as low-power machine-type or ultra-reliable communications, as well as non-communication applications such as radar, sensing and positioning. We outline five new Massive MIMO related research directions: Extremely large aperture arrays, Holographic Massive MIMO, Six-dimensional positioning, Large-scale MIMO radar, and Intelligent Massive MIMO.Comment: 20 pages, 9 figures, submitted to Digital Signal Processin

Single-pixel imaging based on deep learning

Single-pixel imaging can collect images at the wavelengths outside the reach of conventional focal plane array detectors. However, the limited image quality and lengthy computational times for iterative reconstruction still impede the practical application of single-pixel imaging. Recently, deep learning has been introduced into single-pixel imaging, which has attracted a lot of attention due to its exceptional reconstruction quality, fast reconstruction speed, and the potential to complete advanced sensing tasks without reconstructing images. Here, this advance is discussed and some opinions are offered. Firstly, based on the fundamental principles of single-pixel imaging and deep learning, the principles and algorithms of single-pixel imaging based on deep learning are described and analyzed. Subsequently, the implementation technologies of single-pixel imaging based on deep learning are reviewed. They are divided into super-resolution single-pixel imaging, single-pixel imaging through scattering media, photon-level single-pixel imaging, optical encryption based on single-pixel imaging, color single-pixel imaging, and image-free sensing according to diverse application fields. Finally, major challenges and corresponding feasible approaches are discussed, as well as more possible applications in the future

Architectures and Novel Functionalities for Optical Access OFDM Networks "Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico"

En los últimos años ha habido un gran aumento en el despliegue de redes de acceso ópticas de fibra hasta el hogar (FTTH, del inglés fibre-to-the home). FTTH es una solución flexible, una tecnología de acceso de futuro que permite proporcionar tasas de datos del orden de Gbit/s por ususario. Diversos estudios indican que FTTH se convertirá en la diferencia clave entre los operadores más importantes. Además, FTTH es la única tecnolotgía capaz de crear nuevas fuentes de ingresos de aplicaciones de alta velocidad, como por ejemple entretenimiento de alta definición (vído y juegos de alta definición...) Dede el punto de vista del operador, una de las vientajas importantes que proporciona FTTH es que permite una mayor eficiencia operativa en coparción con otras tecnologías de acceso, principalmente por la reducción de costes de mantenimiento y de operación. Además, FTTH reduce los requisitos de los equipos de las centrales. Esta tesis doctoral tiene como ojetivo extender estas ventajas más allá del concepto FTTH mediante la integración de la red óptica de distribución desplegada dentro del hogar así como el enlace radio final de corto o medio alcance inalámbrico. Esto proporciona una arquitctura de red FFTH integrada de extremo a extremo. De este modo, los beneficios de la reducción de costes operativos y mayor eficiencia se extienden hasta el usuario final de la red. En esta tesis doctoral, se propone una arqutectura de acceso integrada óptica-radio basada en la multiplexación por división ortogonal de fecuencia (OFDM, del inglés orthogonal frequency división multiplexing) para proporcionar diferentes servicios al usuario como Internet, teléfono/voz, televisión de lata definición, conexión inalámbrica y seguridad en el hogar. Las señales OFDM se utilizan en muchos estándares inalámbricos como las señales de banda ultraancha (UWB, del inglés ultra-wide band), WiMAX, LTE, WLAN, DVB-T o DAB. Estos formatos aprovechan las características intrínsecas de la modulación OFDM como su mayor inmunidad ante desvanecimiento multi-camino. Esta tesis incluye la propuesta y la demostración experimental de la transmisión simultánea y bi-direccional de señales OFDM multi-estándar en radio-sobre-fibra proporcionando servicios triple-play basados en OFDM como UWB para televisión de alta definición, WiMAX para datos de Internet, y LTE para el servicio telefónico.Morant Perez, M. (2012). Architectures and Novel Functionalities for Optical Access OFDM Networks "Arquitecturas y Nuevas Funcionalidades para Redes OFDM de Acceso Óptico" [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/15076Palanci

Real-time signal detection and classification algorithms for body-centered systems

El principal motivo por el cual los sistemas de comunicación en el entrono corporal se desean con el objetivo de poder obtener y procesar señales biométricas para monitorizar e incluso tratar una condición médica sea ésta causada por una enfermedad o el rendimiento de un atleta. Dado que la base de estos sistemas está en la sensorización y el procesado, los algoritmos de procesado de señal son una parte fundamental de los mismos. Esta tesis se centra en los algoritmos de tratamiento de señales en tiempo real que se utilizan tanto para monitorizar los parámetros como para obtener la información que resulta relevante de las señales obtenidas. En la primera parte se introduce los tipos de señales y sensores en los sistemas en el entrono corporal. A continuación se desarrollan dos aplicaciones concretas de los sistemas en el entorno corporal así como los algoritmos que en las mismas se utilizan. La primera aplicación es el control de glucosa en sangre en pacientes con diabetes. En esta parte se desarrolla un método de detección mediante clasificación de patronones de medidas erróneas obtenidas con el monitor contínuo comercial "Minimed CGMS". La segunda aplicacióin consiste en la monitorizacióni de señales neuronales. Descubrimientos recientes en este campo han demostrado enormes posibilidades terapéuticas (por ejemplo, pacientes con parálisis total que son capaces de comunicarse con el entrono gracias a la monitorizacióin e interpretación de señales provenientes de sus neuronas) y también de entretenimiento. En este trabajo, se han desarrollado algoritmos de detección, clasificación y compresión de impulsos neuronales y dichos algoritmos han sido evaluados junto con técnicas de transmisión inalámbricas que posibiliten una monitorización sin cables. Por último, se dedica un capítulo a la transmisión inalámbrica de señales en los sistemas en el entorno corporal. En esta parte se estudia las condiciones del canal que presenta el entorno corporal para la transmisión de sTraver Sebastiá, L. (2012). Real-time signal detection and classification algorithms for body-centered systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16188Palanci

A review of snapshot multidimensional optical imaging: Measuring photon tags in parallel

Multidimensional optical imaging has seen remarkable growth in the past decade. Rather than measuring only the two-dimensional spatial distribution of light, as in conventional photography, multidimensional optical imaging captures light in up to nine dimensions, providing unprecedented information about incident photons’ spatial coordinates, emittance angles, wavelength, time, and polarization. Multidimensional optical imaging can be accomplished either by scanning or parallel acquisition. Compared with scanning-based imagers, parallel acquisition–also dubbed snapshot imaging–has a prominent advantage in maximizing optical throughput, particularly when measuring a datacube of high dimensions. Here, we first categorize snapshot multidimensional imagers based on their acquisition and image reconstruction strategies, then highlight the snapshot advantage in the context of optical throughput, and finally we discuss their state-of-the-art implementations and applications

Fiber Optics

Optical fibers in metrology, telecommunications, sensors, manufacturing, and health science have gained massive research interest. The number of applications is increasing at a fast pace. This book aims to present a collection of recent advances in fiber optics, addressing both fundamental and industrial applications. It covers the current progress and latest breakthroughs in emergent applications of fiber optics. The book includes five chapters on recent developments in optical fiber communications and fiber sensors, as well as the design, simulation, and fabrication of novel fiber concepts