Fiber amplifiers, directly modulated transmitters and a ring network structure for optical communications

The three technologies that are considered the key elements in building a metropolitan area optical network are studied in this thesis. They are optical amplification, high-speed low cost transmitters and ring network structures. These studies concentrate on cost reduction of these three technologies thus enabling the use of optical networks in small customer base metropolitan areas. The research on optical amplification concentrated first on the solution doping process, at present the most used method for producing erbium doped fiber. It was found that separationing the soot growth and the sintering improved the uniformity of the porous layer. This made the homogeneity of the doping concentration in the fiber core better. The effects of index profile variations that arise from the non-ideal solution doping process were also simulated. In the search for a better doping method a new nanoparticle glass-forming process, the direct nanoparticle deposition, was developed. In this process the doping is done simultaneously with glass formation. Utilizing this new process it was possible to improve the uniformity of the doping resulting in higher usable doping levels and shorter erbium doped fiber lengths in the amplifiers. There were fewer limitations in the amplifier caused by optical non-linearities and polarization mode dispersion since shorter fiber lengths were needed. The double cladding fiber, which avoids the costly coupling of the pump laser into a single mode waveguide, was also studied. This pumping scheme was found to improve the inversion uniformity in the erbium doped fiber core thereby enhancing the power conversion efficiency for the long wavelength band amplifier. In characterizing the erbium doped fiber amplifier the gain and noise figure was measured with a temporal filter setup. It was made of simple, low cost components but yielded accurate measurements since the noise originating from the amplified spontaneous emission was measured at the signal wavelength. In the study of fiber amplifier controlling schemes the input power of the fiber amplifier was successfully used to regulate the pump laser. This feed-forward control scheme provides a simple, low cost control and managment system for the erbium doped fiber amplifier in metropolitan area network applications that require flexible adding and dropping of wavelength channels. The transmitter research focused on the DFB laser due to its simplicity and low cost structure. A solid state Fabry-Perot etalon made from double polished silicon chip was used as a frequency discriminator in the chirp analyser developed for the DFB lasers. This wavelength discriminator did not require repeated calibration or active stabilisation and was controled electrically enabling automatic measurements. The silicon Fabry-Perot etalon was also used for simultaneous spectral filtering and wavelength control of the laser. The usable dispersion limited transmission length was increased when the filter was used in conjunction with the directly modulated distributed feedback laser transmitter. The combination of spatial multiplexing and dense wavelength division multiplexing in ring topology was investigated in the course of the research on the ring network as the feeder part of the metropolitan network. A new way to organize different wavelengths and fibers was developed. This ring network structure was simulated and an experimental ring network built. The results of the studies demonstrated that the same limitations effecting uni-directional ring structures also are the main limitations on the scalability of the spatial and wavelength division multiplexed ring networks based on bi-directional transmission when the node spacing is short. The developed ring network structure demonstrated major cost reductions when compared with the heavy use of wavelength division multiplexing. The node structure was also greatly simplified resulting in less need for different wavelength transmitters in each node. Furthermore the node generated only minor losses for the passing signals thus reducing the need for optical amplification.reviewe

Luonnonmukaisten ohitusuomien suunnittelu rakennetussa vesistössä – Lohen palauttaminen Oulujokeen

Luonnonmukaisilla ohitusuomilla voidaan mahdollistaa kalojen ja muiden eliöiden vaellus vesistöissä, joissa läpikulku on estynyt voimalaitoksia ja patoja rakennettaessa. Ohitusuomiin voidaan toteuttaa uusia lisääntymisalueita, joita tarvitaan alkuperäisten virtavesihabitaattien vähennyttyä. Loiviin uomiin voidaan tehdä kutusoraikkoja ja poikasalueita. Suunnittelussa voidaan soveltaa esimerkkejä rakennetuista kutu- ja poikastuotantouomista sekä luonnonvesistä saatua tietoutta lohien ja taimenten lisääntymisoloista. Selvityksessä esitetään alustavat ohitusuomien suunnitelmat Oulujoen pääuoman kuudelle ylimmälle voimalaitokselle. Linjausten pituudet ovat 650 metristä ja 10 kilometriin. Kaltevuuksien, mittasuhteiden ja virtaamien vaikutuksia syntyviin virrannopeuksiin, vesisyvyyksiin ja lisääntymisalueiden laatuun tutkittiin virtaus- ja habitaattimallilla. Mallinnuksen perusteella myös pienillä talvivirtaamilla habitaattien laatu voi säilyä hyvänä. Ohitusuomiin saadaan yhteensä 11 hehtaaria hyvälaatuisia lisääntymishabitaatteja, joiden poikastuotanto voisi olla 22 000 lohen smolttia vuodessa. Oulujoessa ja sivuvesistöissä jäljellä olevien lisääntymisalueiden poikastuotannoksi on arvioitu yhteensä 30 000 smolttia vuodessa. Ohitusuomien rakennuskustannuksiksi laskettiin 0,5 -2,9 miljoonaa euroa, yhtensä 7,3 miljoonaa euroa. Teknisten kalateiden toteutuskustannus olisi yhteensä 9,7 miljoonaa euroa. Ohitusuomilla voisi olla suuri merkitys vaellusreitteinä ja uusina lisääntymisalueina pyrittäessä alkuperäisten lisääntymisalueiden kompensoimiseen ja luontaisesti lisääntyvien kalakantojen aikaansaamiseen. Ohitusuomat ovat kiinnostavia myös maiseman, asuinympäristön ja matkailun kannalta

Liettyneiden metsäpurojen kunnostaminen

Tieteen tor

Happamuuden aiheuttamat vesistöhaitat ja niiden torjuntakeinot Sanginjoella

Sanginjoki, Oulujoen alin sivujoki, on Oulun seudun tärkeimpiä virkistysalueita ja Merikosken kalatietä lähin potentiaalinen vaelluskalojen nousualue. Joen ajoittainen happamuus kuitenkin heikentää Sanginjoen virkistyskäytöllistä ja ekologista arvoa. Kaupunki ja vesi – Sanginjoen virkistyskäyttöarvon parantaminen ja ekologinen kunnostus (2008-2011) -hankkeessa selvitettiin Sanginjoen happamuuden alkuperää, seurattiin laajasti eri alueilta jokeen laskevien valumavesien pH:n muutoksia sekä testattiin menetelmiä happamien huuhtoumien ennaltaehkäisyyn ja neutralointiin. Tulosten perusteella laadittiin toimenpidesuunnitelma happamuuden ehkäisemiseksi sekä happamuuden aiheuttamien haittojen lieventämiseksi. Julkaisussa on myös esitetty tietoa Sanginjoen ja sen valuma-alueen ominaisuuksista, joen ekologisesta tilasta, vedenlaadun kehityksestä sekä happamuuden ehkäisemiseen soveltuvista menetelmistä. Tulosten perusteella Sanginjoen veden happamuus usein voimistuu virtaamien kasvaessa. Etenkin kesä- ja syyssateiden yhteydessä havaittiin alhaisia pH-lukemia, joihin vaikuttivat maaperä, kasvillisuus ja maankäyttö. Hapan huuhtouma on pääosin peräisin turvepitoisten maiden orgaanisesta huuhtoumasta, mutta paikallisesti vedenlaatuun voivat vaikuttaa alueella esiintyvät happamat sulfaattimaat ja mustaliuskealueet. Sanginjoen vesi on ollut myös luontaisesti hapanta lähinnä suo- ja turvemaiden happamien valumavesien johdosta, mutta happamuus on todennäköisesti lisääntynyt ihmistoiminnan vaikutuksesta. Sanginjoen valuma-alueella testattujen vesiensuojelu- ja kunnostusmenetelmien vaikutukset happamien valumavesien neutraloinnissa vaihtelivat, mutta osa menetelmistä osoittautui käyttökelpoiseksi ja niitä voidaan suositella käytettävän jatkossa niin Sanginjoella kuin vastaavilla happamuudesta kärsivillä kohteilla. Menetelmien kehittämistä ja erityisesti vaikutusten seurantaa tulee kuitenkin edelleen jatkaa. Hankkeessa testatut menetelmät ovat keinoja ihmistoiminnasta aiheutuvan happamuuden lisääntymisen torjunnassa. Parhaiten Sanginjoen ja muiden happamuudesta kärsivien vesistöjen hapanta kuormitusta ehkäistään huomioimalla maankäytössä happamuuden kannalta kriittisten turve- ja sulfidipitoisten alueiden ominaisuudet ja sijoittuminen jo ennen maankäytön toimenpiteitä ja kuormituksen syntymistä

FIBER AMPLIFIERS, DIRECTLY MODULATED TRANSMITTERS AND A RING NETWORK STRUCTURE FOR OPTICAL COMMUNICATIONS

The three technologies that are considered the key elements in building a metropolitan area optical network are studied in this thesis. They are optical amplification, high-speed low cost transmitters and ring network structures. These studies concentrate on cost reduction of these three technologies thus enabling the use of optical networks in small customer base metropolitan areas. The research on optical amplification concentrated first on the solution doping process, at present the most used method for producing erbium doped fiber. It was found that separationing the soot growth and the sintering improved the uniformity of the porous layer. This made the homogeneity of the doping concentration in the fiber core better. The effects of index profile variations that arise from the non-ideal solution doping process were also simulated. In the search for a better doping method a new nanoparticle glass-forming process, the direct nanoparticle deposition, was developed. In this process the doping is done simultaneously with glass formation. Utilizing this new process it was possible to improve the uniformity of the doping resulting in higher usable doping levels and shorte

Enhancing migration and reproduction of salmonid fishes:method development and research using physical and numerical modelling

Abstract Dam building for hydropower production, dredging for log floating and drainage of peatlands have massively affected migrating salmonid populations in Finland. Increased sedimentation and changes in hydraulic conditions have destroyed the majority of spawning and rearing habitats in freshwater brooks and dam building has stopped migration upstream at river mouths. This thesis examines the current state of drained forest brooks, possibilities for restoration and methods to assist migration in rivers used for hydropower. Drainage down to the mineral soil has caused massive erosion and sedimentation in headwater brooks. The surface layer of a sand bed is constantly moving, preventing vegetation growth, while shortcuts created during drainage increase flow velocity and reduce retention time. The cross-sectional and longitudinal profiles become homogeneous and biodiversity is severely reduced. A simple wooden brook restoration structure was developed in laboratory experiments. Fish migration problems past a hydropower dam and reproduction possibilities offered by a natural-like bypass channel were studied in the river Oulujoki, the mouth of which was blocked by a hydropower dam in the late 1940s. Public pressure for remedial structures has grown since then and was given a boost after a fishway was opened at Merikoski, in the river mouth, in 2003. This thesis examined the next dam upstream, Montta at Muhos, which was studied separately as a partial and sole natural-like bypass. A natural-like bypass can offer stable conditions for spawning and rearing and can be designed precisely, through water flow and habitat modelling, to match desired conditions. The most important section in a fishway is ultimately the entrance. Fishway discharge is often merely a fraction of whole river discharge and the attractivity of the entrance can be increased by pumping additional discharge to the lowest part of the fishway. The hydraulics of a twin-slot vertical slot fishway were studied here by laboratory flume testing and 2D water flow modelling. Water flow and habitat modelling proved to be good tools in designing partly natural-like bypasses. However, fish behaviour should be closely monitored in any natural-like fishways already built, in order to verify the results of habitat modelling.Tiivistelmä Jokien patoaminen vesivoiman tuotantoon, ruoppaaminen puunuiton helpottamiseksi sekä latvapurojen ojitukset metsän kasvun edistämiseksi ovat voimakkaasti vaikuttaneet vaeltavien lohikalakantojen vaellus- ja lisääntymismahdollisuuksiin. Muuttuneet hydrauliset olosuhteet ja lisääntynyt sedimentaatio ovat tuhonneet lohikalojen lisääntymisalueet ja patoaminen on katkaissut ylösvaelluksen lisääntymispaikoille. Väitöstyö koostuu viidestä artikkelista, joissa esitellään uusia menetelmiä ja ratkaisuja lohikalojen vaelluksen ja lisääntymisen ennallistamiseksi. Kaksi artikkelia keskittyy ojituksesta kärsivien latvapurojen nykytilaan, kunnostusmahdollisuuksiin sekä kunnostusrakenteen kehittämiseen. Paikoin ojituksen seurauksena on ollut massiivinen mineraalimaan eroosio ja hienon hiekan sedimentoituminen puroihin. Puroihin on kertynyt paksuja hiekkakerroksia, joiden pintakerros on jatkuvassa liikkeessä. Pintakerroksen jatkuva liike estää kasvillisuuden kasvamisen. Osittain ojitus on myös oikaissut puroja, jolloin virtausnopeudet ovat kasvaneet ja veden viipymä lyhentynyt. Purojen pituus- ja poikkileikkauksen vaihtelu ja biodiversiteetti ovat on vähentyneet huomattavasti. Laboratoriokokeissa kehitettiin yksinkertainen puusta rakennettava kunnostusrakenne hiekoittuneiden purojen kunnostamiseksi. Kolme artikkelia käsittelee Oulujokea, kalateiden suunnittelua ja kalatierakenteita. Vuonna 2003 rakennettu Merikosken kalatie kasvatti paineita kalatierakentamiseen Oulujoen muille voimalaitoksille. Erityisesti väitöstyö keskittyi Montan voimalaitoksen ohitukseen suunniteltuun kalatiehen, jota tutkittiin virtausmallinnuksen avulla kokonaan ja osittain luonnonmukaisena ohitusuomana. Luonnonmukainen ohitusuoma voidaan suunnitella toimimaan kutukanavan tyyppisenä uomana, jonka tarkoitus on tarjota vakaat virtausolosuhteet lohikalojen lisääntymistä varten. Virtaus- ja habitaattimallinnuksen avulla uoma voidaan suunnitella tarkasti haluttujen virtausolosuhteiden mukaisesti. Kalatien toimivuuden kannalta tärkeintä on että kalat löytävät kalatien sisäänkäynnin. Kalatien virtaama on usein vain murto-osa koko joen virtaamasta, joten sisäänkäynnin houkuttavuutta voidaan lisätä lisävettä pumppaamalla. Kaksirakoisen pystyrakokalatien hydrauliikkaa tutkittiin sekä laboratorio- että virtausmallilla