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Submitted by Camila Bastos Costa (cb.costa@unesp.br) on 2022-10-24T16:32:10Z No. of bitstreams: 1 Camila_Costa_Dissertacao_Final.pdf: 5966029 bytes, checksum: 502bc43c53597ae943257a61382df3fc (MD5) Rejected by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br), reason: Solicitamos que realize correções na submissão seguindo as orientações abaixo: - A palavra-chave Aprendizado de máquinas deve ser escrita exatamente como aparece (em verde) na ferramenta Tesauro Unesp - A numeração de páginas deve começar a ser explicitada a partir da primeira página da seção Introdução - A quantidade de páginas a constar na ficha catalográfica deve ser: 47 p. Agradecemos a compreensão. on 2022-10-24T21:00:00Z (GMT) Submitted by Camila Bastos Costa (cb.costa@unesp.br) on 2022-10-24T22:30:35Z No. of bitstreams: 1 Camila_Costa_Dissertacao_Final_2.pdf: 5966013 bytes, checksum: c6b800f49175d991b13f80aed250b559 (MD5) Approved for entry into archive by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br) on 2022-10-25T11:33:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 costa_cb_me_sjbv.pdf: 5966013 bytes, checksum: c6b800f49175d991b13f80aed250b559 (MD5) Made available in DSpace on 2022-10-25T11:33:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 costa_cb_me_sjbv.pdf: 5966013 bytes, checksum: c6b800f49175d991b13f80aed250b559 (MD5) Previous issue date: 2022-09-02 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Neste trabalho, foi proposto o uso de um método de clusterização 4D para abordar simultaneamente o efeito da automodulação de fase (SPM, self-phase modulation) e da modulação de fase cruzada (XPM, cross-phase modulation) em redes ópticas passivas de 100 Gbps empregando dupla polarização e modulação em amplitude em quadratura 16-ária. Foi realizado um vasto número de operações, considerando potências ópticas de transmissão variando de 0 dBm a 15 dBm e comprimentos de link de 125 km a 175 km. Os resultados obtidos indicaram que a clusterização 4D pode compensar não apenas a SPM, mas também a XPM intracanal entre as polarizações ortogonais. Como resultado, o alcance máximo é estendido de 138 km para 151,6 km e de 171 km para 180 km para um BER alvo de 10^-3 e de 10^-2, respectivamente, reduzindo a diferença em relação a um sistema com modulação com chaveamento por deslocamento de fase em quadratura de polarização dupla. O algoritmo proposto também foi aplicado em um sistema multicanal, com 5 canais de espaçamento de 100 GHz, porém, os resultados obtidos para esse sistema mostraram que o desempenho de compensação dos impedimentos não lineares pelo algoritmo diminui, dado que estes sistemas são afetados principalmente pela mistura de quatro ondas (FWM, four-wave mixing), que não pode ser compensada pelos algoritmos de clusterização. Finalmente, a complexidade do método proposto foi avaliada tanto em termos do tamanho de bloco de símbolos requerido para uma clusterização adequada, como em função do número de operações necessárias para a predição de um novo símbolo. Assim, concluímos que são necessários, ao menos, 8.000 símbolos para a obtenção de um valor médio de BER de 10^-3, e que a predição pode ser executada utilizando 5.632 operações de ponto flutuante, as quais podem ser paralelizadas em 19 operações sequenciais. In this work, it was proposed to use a 4D-clustering method to simultaneously tackle the effect of self-phase modulation (SPM) and cross-phase modulation (XPM) in 100 Gbps passive optical networks employing dual-polarization 16-ary quadrature amplitude modulation. A large number of operations was executed considering launched optical powers ranging from 0 dBm to 15 dBm and link lengths from 125 km to 175 km. The results indicate that 4D-clustering indeed can compensate not only the SPM but also the intra-channel XPM between the orthogonal polarizations. As a result, the maximum range is increased from 138 km to 151,6 km and from 171 km to 180 km for target BERs of 10^-3 and 10^-2, respectively, reducing the gap with respect to dual-polarization quadrature phase shift keying. The proposed algorithm was also applied in a multichannel system, composed of 5 channels with 100 GHz frequency spacing. However, the results obtained for this system showed that the performance of compensation of nonlinear impediments by the algorithm decreases, given that these systems are affected by four-wave mixing (FWM), which cannot be compensated for by clustering algorithms. Finally, the complexity of the proposed method was evaluated in terms of both the symbol block size required for an adequate clustering and the number of operations necessary for the prediction of a new symbol. Thus, we conclude that at least 8,000 symbols are needed to obtain an average BER of 10^-3 and that the prediction can be performed using 5,632 floating point operations, which can be parallelized in 19 sequential operations. Capes: 001

Submitted by Romulo Aparecido de Paula Junior (romulo.paula-junior@unesp.br) on 2022-07-13T00:21:31Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Romulo_PGE190306.pdf: 3454404 bytes, checksum: 2e171200ba6848dee6ee5d89ab20d07e (MD5) Approved for entry into archive by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br) on 2022-07-13T13:29:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 paulajunior_ra_me_sjbv.pdf: 3454404 bytes, checksum: 2e171200ba6848dee6ee5d89ab20d07e (MD5) Made available in DSpace on 2022-07-13T13:29:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 paulajunior_ra_me_sjbv.pdf: 3454404 bytes, checksum: 2e171200ba6848dee6ee5d89ab20d07e (MD5) Previous issue date: 2022-06-02 Não recebi financiamento Uma das principais vantagens da integração fotônica baseada na plataforma de silício sobre isolante (silicon-on-insulator, SOI) é a sua compatibilidade com o processo de manufatura de metal óxido-semicondutor complementar, possibilitando a produção em massa e reduzindo drasticamente o custo dos dispositivos. Além do mais, o alto contraste de índice de refração nesta plataforma resulta em um forte confinamento da luz no meio guiado, o que permite a construção de dispositivos compactos. Estas propriedades tornam a plataforma de silício sobre isolante atraente no projeto de sistemas coerentes ópticos, tais quais vêm ganhando atenção para enlaces cada vez mais curtos, como é o caso interconexões de alta velocidade em data-centers. Entretanto, o projeto de moduladores de banda larga e de baixo consumo de potência ainda é um desafio nesta plataforma. Dentre as arquiteturas existentes, o modulador de Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Modulator, MZM) se mostra um candidato atraente devido ao seu potencial de apresentar larga banda eletro-óptica, baixo consumo de potência e alta estabilidade térmica. Estas qualidades se destacam, em especial, em MZMs com deslocadores de fase baseados no efeito de dispersão de plasma, operando em polarização reversa de tensão. Entretanto, a partir de uma revisão bibliográfica a respeito de MZMs construídos em silício, podemos perceber que o desempenho dos mesmos está atingindo um platô. Por outro lado, até onde sabemos, a otimização de MZMs por algoritmos de inteligência artificial ainda não tem sido explorada na literatura. Modelos de simulação eletromagnéticas apresentam um alto custo de tempo, enquanto que algoritmos de otimização como os evolutivos requerem numerosas inferências, ainda mais ao otimizar um dispositivo com múltiplos parâmetros de projeto, como é o caso do MZM. A partir de simulações realizadas em um entorno que integra os softwares CST, Lumerical (Mode e Device) e uma linguagem de alto nível, como o Python, simularam-se 10.000 configurações de MZM com parâmetros aleatórios. Os dados obtidos mediante estas simulações foram utilizadas para treinar uma rede neural que pode substituir o modelo eletromagnético de alta complexidade no cômputo da função de custo, de forma a acelerar algoritmos de otimização heurística. A simulação e a rede neural consideraram oito parâmetros de design no modelo, incluindo a largura do guia de onda, a largura das regiões dopadas, o comprimento do modulador e a tensão de polarização. No caso dos parâmetros de desempenho do modulador temos a banda eletro-óptica, a tensão de meia-onda e as perdas de inserção ópticas. Os resultados mostraram que a rede neural foi capaz de emular o modelo de simulação, mostrando uma acurácia satisfatória na predição dos três parâmetros de desempenho do MZM. Ao utilizarmos a rede neural como forma de computar a figura de mérito dos MZMs, o custo de tempo é reduzido por um fator de 1e7 em relação ao modelo de simulação. Com esta demanda menor por recursos computacionais, é possível executarmos otimizações que consideram um elevado número de iterações e indivíduos nas populações. Além do mais, diferentes figuras de mérito podem ser utilizadas para dar ênfase na otimização de parâmetros de métrica distintos. Concluímos que esta configuração de otimização conjunta possibilita achar os limites da arquitetura em termos das métricas consideradas. One of the main advantages of silicon on insulator based integration is its compatibility with the complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) manufacturing process, which enables mass production and drastically reduces device costs. Furthermore, the high refractive index contrast inherent to this platform allows a high confinement of light in the guided medium, enabling the design of compact devices. These silicon-on-insulator (SOI) properties have attracted particular attention for the design of optical coherent systems, which have been getting more popular for shorter and shorter links, as the case of high-speed data-centers interconnections. However, the design of broadband and power-efficient modulators in this platform still poses a challenge. Amongst the existing architectures, the Mach-Zehnder Modulator (MZM) emerges as an attractive candidate, due to its potential for wide electro-optic bandwidth, low power consumption and high thermal stability. Such benefits stand out, in special, when it comes to Mach-Zehnder modulators composed of phase shifters based on the plasma dispersion effect, operating via reverse voltage polarization. However, from a literature review concerning MZMs made of silicon, we observed that the modulators performance is plateauing. On the other hand, to the best of our knowledge, MZM optimization via artificial intelligence algorithms is still unexplored in the literature. Electromagnetic simulation models present a high computational complexity, while optimization algorithms such as genetic algorithm require several inferences, even more when a multi-parameter device such as the MZM is being optimized. The simulations were carried out in an wrapper comprising CST and Lumerical (Mode and Device) softwares, and the high-level programming language Python. From this wrapper, we obtained 10,000 MZM configurations of random parameters. The dataset was used to train an artificial neural network model that can replace the high complexity simulation model in the computation of the cost function, accelerating the convergence of heuristic optimization algorithms. The simulation and the neural network consider eight design parameters, including the waveguide width, the doped regions width, the modulator length and the bias voltage. For the modulator performance metrics we considered the electro-optic bandwidth, the half-wave voltage and the optics insertion loss. The obtained results demonstrated that the network is able to emulate the simulation model with satisfactory accuracy for the three considered performance parameters. By utilizing the neural network for the MZMs evaluation phase of the heuristic algorithm, the time efficiency is increased by 107 times. By alleviating the burden on the hardware resources, it is possible to execute the optimization for high numbers of iterations and MZM samples. Furthermore, different figures of merit can be utilized to emphasize distinct performance parameters in the optimization. We concluded that this joint optimization configuration made it possible for us to explore the limits of the MZM architecture in terms of the considered metrics.

Submitted by Lucas Marim da Silva (lucas.marim@unesp.br) on 2022-06-29T16:12:49Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Lucas_Marim.pdf: 8709321 bytes, checksum: 4d9509864c7bde7b9cb820875f47c72b (MD5) Approved for entry into archive by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br) on 2022-06-29T18:34:50Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_lm_me_sjbv.pdf: 8709321 bytes, checksum: 4d9509864c7bde7b9cb820875f47c72b (MD5) Made available in DSpace on 2022-06-29T18:34:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_lm_me_sjbv.pdf: 8709321 bytes, checksum: 4d9509864c7bde7b9cb820875f47c72b (MD5) Previous issue date: 2022-06-01 Não recebi financiamento Neste trabalho são desenvolvidas técnicas para estimar a probabilidade de erro de bit (BER) em sistemas de comunicações ópticas digitais coerentes utilizando redes neurais convolucionais (CNNs). A estimativa é performada por meio do processamento histogramas de constelações de sinais por um algoritmo de regressão, capaz de generalizar a estimativa para redes ópticas passivas (PONs) com diferentes comprimentos de enlace e valores de potência de transmissão. Os resultados revelam que, utilizando uma CNN capaz de processar histogramas compostos por 10.000 símbolos e 64 bins, o erro entre o valor médio de BER estimado e esperado foi igual ou inferior a 10.87% para uma PON de 150 km considerando a faixa de valores de potência em que o sistema é limitado por modulação de fase não linear. O custo computacional necessário para realizar uma estimativa de BER utilizando a CNN descrita é de 195,61 x 10^6 operações de ponto flutuante. In this work, we developed techniques to estimate bit error ratio (BER) in digital coher- ent optical communications systems using convolutional neural networks (CNNs). The estimation is performed by processing histograms of constellations diagrams considering a regression algorithm capable of generalizing the estimation to different passive optical networks (PONs) configurations. Results reveal that a CNN trained to process histograms of 64 bins composed by 10,000 symbols presents an estimation error equal to or less than 10.87% considering a 150 km PON for launch optical power values over which the system is limited by non-linear phase modulation. The computational cost required to perform a BER estimation using the described CNN is 195.61 × 106 floating point operations.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais Este trabalho apresenta uma nova técnica de fabricação de redes de período longo com descargas de arco elétrico tendo em vista o desenvolvimento de dispositivos com perda dependente da polarização reduzida. A perda dependente da polarização elevada é uma característica das redes produzidas por arco elétrico, que resulta em limitações no uso desses dispositivos em aplicações de sensoriamento e comunicações ópticas. A técnica proposta baseia-se na rotação axial da fibra óptica após cada descarga de arco elétrico, de modo que a perturbação assimétrica transversal induzida gire ao longo do eixo da fibra. Dessa forma, procura-se promediar a contribuição da não homogeneidade no índice de refração induzida pontualmente ao longo do comprimento da rede e assim, reduzir os efeitos indesejáveis da perda dependente da polarização. A fabricação de redes de período longo utilizando a técnica de arco elétrico foi descrita, o comportamento da perda dependente da polarização das redes produzidas foi investigado e os resultados experimentais mostram que é possível reduzir substancialmente a perda dependente da polarização nesses dispositivos utilizando a técnica de fabricação proposta. Por fim, é apresentado uma aplicação prática de uma rede produzida com a técnica proposta para o sensoriamento de torção mecânica. Os resultados mostram que é possível fabricar um sensor com sensibilidade à torção linear de 0,197 nm/(rad/m), que é superior ao das redes produzidas normalmente por arco elétrico. This work presents the fabrication of arc-induced long period fiber gratings with reduced polarization-dependent loss. An important characteristic of arc-induced gratings is their intrinsic high polarization-dependent loss, which limits their use in sensing and optical communications applications. The proposed technique is based on the axial rotation of the optical fiber after each electric arc discharge. The induced transverse asymmetric perturbation rotates along fiber axis. Therefore, it is possible to average the contribution of transverse inhomogeneity of the refractive index induced along the fiber grating length and reduce the undesirable effects of polarizationdependent loss. The fabrication technique was described, the polarization-dependent loss behavior of the produced gratings was investigated. The experimental results show that it is possible to substantially reduce the intrinsic polarization-dependent loss of these gratings. Finally, we investigated the torsion-dependent spectral response of a long period grating. The results show that it is possible to achieve an enhanced linear torsion sensitivity of 0.197 nm/(rad/m), which is higher than that of conventional arcinduced long period gratings.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o uso da tecnologia de rádio frequência LoRa (Long Range) para aplicações de comunicação de dados com o emprego de luz visível, Visible Light Communications (VLC). A técnica LoRa foi implementada via software em um sistema de comunicação óptica sem fio, considerando as não linearidades do emissor LED e, através de simulações em um canal sem fio com linha de visada, em ambientes externos e interno, avaliou-se o desempenho do sistema proposto em termos de alcance do enlace de comunicação e taxa de erro de bits (BER). Como referência, compara-se o desempenho da técnica LoRa proposta com o BPSK aplicado no mesmo sistema VLC. Em todos os cenários considerados o LoRa, em configurações similares às encontradas em chipsets comerciais, apresenta um desempenho superior, alcançando 34 m em um ambiente externo limpo e 16 m para um ambiente com neblina moderada, quando adotado o fator de espalhamento 7, potência óptica de transmissão de 2,6 W e um fotodiodo com 150 2 de área e responsividade 0,17 A/W no receptor. Discute-se, ainda, sobre o impacto dos principais parâmetros do sistema, permitindo que sejam otimizados, visando melhorar o alcance do sistema proposto. This work presents a study about the use of LoRa (Long Range) radio frequency technology for data communication using visible light, texti Visible Light Communications (VLC). The LoRa technique was implemented via software in a wireless optical communication system, considering the non-linearities of the LED emitter and, through simulations in a wireless channel with a line of sight, in outdoor and indoor environments, the performance of the proposed system in terms of communication link range and bit error rate (BER). As a reference, the performance of the proposed LoRa technique is compared with the BPSK applied in the same VLC system. For all scenarios considered, LoRa, in configurations similar to those found in commercial chipsets, shows superior performance, reaching 34 m in a clean outdoor environment and 16 m for an environment with moderate fog, using spread factor 7, optical output power of 2.6 W in the transmitter and as receiver, a photodiode with 1502 of area and responsiveness of 0.17 A/W. It also discusses the impact of the main parameters of the system, allowing them to be optimized, improving the communication range of the proposed system.

Submitted by Lúcio Neri Borges (lucio.borges@unesp.br) on 2021-07-08T16:35:26Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_final_Lucio_Neri_Borges.pdf: 2574699 bytes, checksum: 75e5288db76f888a3dce11e09eb07474 (MD5) Approved for entry into archive by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br) on 2021-07-11T03:55:28Z (GMT) No. of bitstreams: 0 Made available in DSpace on 2021-07-11T03:55:30Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2021-05-17 O progresso nos sistemas de comunicações ópticas possibilitou um grande aumento nas taxas de transmissão de dados. E os sistemas ópticos coerentes digitais têm uma contribuição muito importante neste processo. A possibilidade de modulação do sinal em amplitude,fase e polarização, permite que se possa atingir taxas de transmissão na ordem de centenas de giga bits por segundo com grande facilidade. Porém, estas altas taxas de transmissão tornam muito importante a mitigação de efeitos lineares e não lineares, o que é possível graças ao emprego dos processadores digitais de sinais. Neste conceito, os efeitos lineares foram amplamente estudados e, por meio do domínio digital, têm sido mitigados com bastante qualidade. Algoritmos de inteligência artificial têm contribuído no processo de mitigação destes efeitos e os resultados têm se mostrado muito promissores. Diante disso, propomos neste trabalho a utilização dos algoritmos de clusterização de dados não supervisionados denominados Maximização de Expectativa e K-means com inicialização K-means++, para mitigação dos impedimentos em sistemas ópticos coerentes com modulação DP-16QAM. São analisados os resultados da taxa de erros de bits (BER, do inglês bit error ratio) para sistemas operando em 100 Gbps e 400 Gbps. Para taxas de 100 Gbps são avaliados os comprimentos de enlaces variando de 120 km a 200 km, com potência de lançamento na fibra variando de 0 dBm a 15 dBm. Já os enlaces que operam a 400 Gbps são avaliados para comprimentos de 80 km a 150 km. Com os resultados obtidos neste trabalho,podemos verificar que os algoritmos são eficazes na mitigação de não linearidades, em ambas as taxas de transmissão analisadas, quando comparados com a detecção por máxima verossimilhança. Pode-se observar também que os algoritmos auxiliam na mitigação de efeitos lineares como o desbalanceamento da rede híbrida e do efeito da dessincronização do relógio. Por fim, os custos computacionais dos algoritmos de aprendizagem de máquinas utilizados são comparados, e fica evidenciado que o custo para o algoritmo de K-means é dezenas de vezes menor. Progress in optical communications systems has made it possible to greatly increase data transmission rates. And digital coherent optical systems have a very important contribution in this process. The possibility of modulating the signal in amplitude, phase,and polarization allows it to achieve transmission rates in the order of hundreds of giga bitsper second with great ease. However, these high transmission rates make it very important to mitigate linear and nonlinear effects, which is made possible by the use of digital signal processors. In this concept, linear effects have been extensively studied and mitigated quite well through the digital domain. Artificial intelligence algorithms have contributed to the process of mitigating these effects, and the results have shown great promise. In this context, we propose in this work to use the unsupervised data classification algorithms denominated Expectation Maximization and K-means with K-means++ initialization for mitigating nonlinear impairments in coherent optical systems with DP-16QAM modulation. Bit error rate results for systems operating at 100 Gbps and 400 Gbps are analyzed. For 100 Gbps rates, link lengths ranging from 120 km to 200 km are evaluated, with fiber launch power ranging from 0 dBm to 15 dBm. Links operating at 400 Gbps, on the other hand,are evaluated for link lengths ranging from 80 km to 150 km. With the results obtained in this work, we can verify that the algorithms are effective in mitigating nonlinearities,at both transmission rates analyzed, when compared to maximum likelihood detection. It can also be seen that the algorithms assist in mitigating linear effects such as hybrid imbalance I/Q and the effect of clock desynchronization. Finally, the computational costof the machine learning algorithms used are compared, and it is evident that the cost forthe K-means algorithm is tens of times lower.

Submitted by Bruna Dias Pires de Souza (bruna.dias@unesp.br) on 2021-02-24T22:06:11Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Bruna_Dias_Pires_de_Souza_PPGEE_UNESP.pdf: 3330578 bytes, checksum: baceee7aaf9e7fd047a72dfd1e5b7c9e (MD5) Approved for entry into archive by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br) on 2021-02-24T22:41:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 souza_bdp_me_sjbv.pdf: 3330578 bytes, checksum: baceee7aaf9e7fd047a72dfd1e5b7c9e (MD5) Made available in DSpace on 2021-02-24T22:41:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 souza_bdp_me_sjbv.pdf: 3330578 bytes, checksum: baceee7aaf9e7fd047a72dfd1e5b7c9e (MD5) Previous issue date: 2020-12-22 Antenas ópticas têm atraído uma atenção cada vez maior nos últimos anos, devido às suas aplicações em áreas tão diversas como espectroscopia, comunicações ópticas e detecção e alcance de luz (LIDAR). Semelhante às homólogas de radiofrequência (RF), antenas de arranjo de fase óptica (OPA) foram propostas para melhorar as propriedades de radiação e, simultaneamente, alcançar o controle dinâmico do padrão de radiação. No entanto, em contraste com os arranjos de fase de RF, a maioria das OPAs estão sujeitas a restrições físicas, as quais limitam a distância mínima entre os elementos, o que levam a arranjos denominados esparsos. Este é o caso, por exemplo, de OPAs compatíveis com semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS). Arranjos esparsos uniformemente distribuídos apresentam lóbulos laterais fortes que podem causar interferência severa ou até mesmo falhas de segurança. A fim de reduzir o nível do lóbulo lateral (SLL), a distribuição não uniforme dos elementos tem sido amplamente empregada. No entanto, a relação entre o número de elementos, o espaçamento mínimo entre os elementos e a faixa de direcionamento do feixe não foram analisadas sistematicamente em um arranjo esparso linear sujeito a restrições físicas. Neste trabalho, primeiro foi analisado o efeito do direcionamento do feixe sobre o valor do SLL, mostrando que o SLL aumenta à medida que o feixe é apontado para direções distantes do broadside. Posteriormente, os arranjos foram otimizados com diferentes números de elementos, e distâncias médias e mínimas entre os elementos. Essas otimizações revelam vários pontos: primeiro, para a mesma distância média e separação mínima, a redução do SLL é mais proeminente à medida que o número de elementos aumenta. Em segundo lugar, o SLL é altamente dependente da relação entre a distância mínima e a média entre os elementos. Finalmente, quando as restrições físicas são impostas, há uma distância média entre os elementos ótima que resulta em um SLL menor. Optical antennas has attracted an increasing attention in last years due to its applicationsin areas as diverse as spectroscopy, optical communications, and light detection and ranging(LIDAR). Similar to the radio-frequency (RF) counterparts, optical phase array (OPA)antennas has been proposed to improve radiation properties and simultaneously achievedynamical control of the radiation pattern. However, in contrast to RF phased-arrays, mostOPAs are subject to physical constraints that limit the minimum distance between elementsleading to denominated sparse arrays. This is the case, for instance, of complimentarymetal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible OPAs. Uniformly distributed sparse arrayspresent strong side lobes that may cause severe interference or even security faults. Inorder to reduce the side-lobe level (SLL), the non-uniform distribution of elements hasbeen extensively employed. However, the relationship between the number of elements, theminimum inter-element spacing, and the beam steering range has not been systematicallyanalyzed in a linear sparse array subject to physical constraints. In this work, we firstanalyze the effect of beam steering on the value of SLL, showing that the SLL increases asthe beam is directed toward directions far from the broadside direction. Afterwards, weoptimize arrays with different number of elements, and mean and minimum inter-elementdistances. These optimizations reveal several points: first, for the same mean and minimumseparation, the SLL reduction is more prominent as the number of element increases.Second, the SLL is highly dependent on the relation between the minimum and the meaninter-element distance. Finally, when physical constraints are imposed, there is an optimummean inter-element distance that result in lowest SLL.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta análises de desempenho de uma luminária LED, aplicada simultaneamente para iluminação e comunicação em sistemas de comunicação por luz visível (VLC), em ambientes internos (indoor). Apresenta-se a análise de desempenho de um concentrador óptico acoplado à luminária por meio de medidas fotométricas e radiométricas, com suas características reproduzidas e simuladas nos softwares SolidWorks® e APEX®. As simulações foram comparadas com medições em laboratório, objetivando a utilização desses softwares em predições mais realistas de sistemas VLC e na análise de componentes ópticos. Os resultados ressaltam a importância do detalhamento das características ópticas dos materiais empregados nas simula- ções, bem como a necessidade de calibração de potência dos LEDs. Nas simulações realizadas a 1,70 m de distância foram obtidos níveis de iluminância de até 1351,59 lx e estimativas de BER de: 4,88×10−2 (OOK); 11,99×10−2 (8-QAM); e 17,20×10−2 (16-QAM). Considerando um ganho de 3,82 dB no front − end de recepção, as estimativas de BER melhoram para: 3,27×10−5 (OOK); 3,90×10−3 (8-QAM); e 27,80×10−3 (16-QAM). Experimentalmente foi alcançado ganho de até 8,59 dB na transmissão com o uso do concentrador óptico. This work presents performance analysis of an LED luminaire, applied simultaneously for lighting and communication in visible light communication systems (VLC), indoors ( emphindoor). The performance analysis of an optical concentrator coupled to the luminaire by means of photometric and radiometric measurements is presented, with its characteristics reproduced and simulated in the SolidWorks® and APEX ® pieces of software. The simulations were compared with measurements in the laboratory, aiming to use this software in more realistic predictions of VLC systems and in the analysis of optical components. The results highlight the importance of detailing the optical characteristics of the materials used in the simulations, as well as the need for power calibration of the LEDs. In simulations carried out at 1.70 m distance, illuminance levels of up to 1351.59 lx and BER estimates of: 4.88×10−2 (OOK); 11.99×10−2 (8-QAM); and 17.20×10−2 (16-QAM). Considering a 3.82 dB gain in the reception front-end, the BER estimates improve to: 3.27×10−5 (OOK); 3.90×10−3 (8-QAM); and 27.80×10−3 (16-QAM). Experimentally, a gain of up to 8.59 dB was achieved in the transmission with the use of the optical concentrator.

Submitted by Melissa de Oliveira Santos (melissa.santos@unesp.br) on 2020-06-30T18:03:43Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_final_ficha_catalográfica.pdf: 3717143 bytes, checksum: 90806052bfb57688cff6981472b4d1ae (MD5) Approved for entry into archive by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br) on 2020-06-30T19:48:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 santos_mo_me_sjbv.pdf: 3716945 bytes, checksum: 3e3035d28874303d8ead71a574ee6f6d (MD5) Made available in DSpace on 2020-06-30T19:48:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 santos_mo_me_sjbv.pdf: 3716945 bytes, checksum: 3e3035d28874303d8ead71a574ee6f6d (MD5) Previous issue date: 2020-05-29 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) O objetivo desse projeto é propor e avaliar a aplicação de uma nova técnica de criptografia de sinais para sistemas de comunicações ópticas. A técnica consiste em utilizar processamento digital de sinais para: i) dividir um sinal de entrada em várias fatias espectrais, ii) aplicar um desvio de fase a cada fatia, iii) embaralhar essas fatias entre si e iv) multiplexar espectralmente todas as fatias, v) para gerar um sinal banda-base de saída que é uma versão encriptada (distorcida) do sinal de entrada. Essa técnica foi denominada como criptografia de codificação espectral de fase e embaralhamento intracanal por processamento digital de sinais (spectral phase encoding and scrambling cryptography by digital signal processing, DSP-SPE-Scr). O sinal em banda-base criptografado é então modulado em uma portadora óptica e propagado por uma rede óptica transparente. Resultados obtidos sugerem que a técnica é muito segura contra ataques de força bruta. Além disso, apesar do sinal criptografado ter uma distribuição de potência própria que pode excitar ainda mais as não-linearidades do sistema, esses sinais ainda podem ser propagados por redes metropolitanas com diâmetros maiores que 640 km. Isso indica o potencial de utilização da técnica em sistemas comerciais de comunicação óptica. Adicionalmente, mostramos que trabalhar com uma abordagem de chaves dinâmicas torna a DSP-SPE-Scr ainda mais segura porque, com essa abordagem, as propriedades de difusão e confusão de Shannon e a segurança semântica são satisfeitas. No melhor de nosso conhecimento, essa é a primeira vez que chaves dinâmicas são aplicadas a algoritmos de encriptação de sinais, com a avaliação das propriedades de difusão, confusão e segurança semântica. The objective of this project is to propose and evaluate the application of a new signal encryption technique for optical communications systems. The technique consists of using digital signal processing to: i) divide an input signal into several spectral slices, ii) apply a own phase shift to each slice, iii) to scramble these slices and iv) spectrally multiplex all slices, v) to generate a baseband output signal which is an encrypted (distorted) version of the input signal. This technique was called spectral phase encoding and scrambling cryptography by digital signal processing, DSP-SPE-Scr. The baseband encrypted signal is then modulated on an optical carrier and propagated by a transparent optical network. Results obtained suggest that the technique is safe against brute force attacks. Moreover, although the encrypted signal has a different power distribution that might excites the nonlinearities of the system, these signals can still be propagated by metropolitan networks with a diameter larger than 640 km, which indicates that the technique may be applied to commercial optical communication systems. Additionally, we found that working with the dynamic keys strategy in the DSP-SPE-Scr makes it even safer because, with this approach, Shannon's diffusion and confusion properties and semantic security are satisfied. To the best of our knowledge, this is the first time the dynamic keys are applied to signal encryption algorithm with the evaluation of diffusion and confusion properties and semantic security. CAPES: 001 FAPESP: 2018/12756-6

Neste trabalho foi feita uma análise teórica comparativa de nanoenlaces ópticos sem fio formados por nanoantenas plasmônicas Yagi-Uda e dipolo. Os resultados da análise das antenas isoladas no modo de transmissão, tais como impedância de entrada, diretividade, ganho, eficiência de radiação, coeficiente de reflexão e diagrama de radiação foram obtidos pelo Método dos Momementos linear, além da análise do efeito de um substrato de dióxido de silício nas propriedades ressonantes da antena que foi obtido do Método dos Elementos Finitos através do software COMSOL Multiphysics. A análise numérica do nanoenlace foi realizada pelo Método dos Momentos linear, onde a potência de transmissão e o campo elétrico próximo são investigados e otimizados para os nanoenlaces dos tipos Yagi-Uda/Yagi-Uda, Yagi-Uda/dipolo e dipolo/dipolo. Os resultados mostram que o nanoenlace Yagi-Uda/Yagi-Uda oferece uma melhora na transmissão de potência, em alguns pontos de frequência, em relação aos nanoenlaces dipolo/dipolo e Yagi-Uda/dipolo. Além disso, os resultados demonstram que todos os três enlaces podem operar com boas potências de transmissão em diferentes pontos de frequência, variando a impedância da carga da antena receptora. This work shows a comparative theoretical analysis of plasmonic nanoantennas Yagi-Uda and dipole wireless optical nanolinks. All results found from the isolated antennas at transmission mode such as, input impedance, directivity, gain, radiation efficiency, reflection coeficiente and radiation diagram were obtained by the linear Method of Moments, assitionally, the effect of a silicon dioxide substract on antenna resonant properties were obtained by the Finite Element Method through COMSOL Multiphysics software. The numerical analysis of the nanolink is performed by the linear Method of Moments, witch the transmission power and the near electric field are investigated and optimized for the nanolinks Yagi-Uda/Yagi-Uda, Yagi-Uda/dipole and dipole/dipole. The results show that the Yagi-Uda/Yagi-Uda nanolinks offers an improvement in power transmission at some frequency points over the nanolinks dipole/dipole and Yagi-Uda/dipole. In addition, the results demonstrate that all three links can operate at good transmit power at different frequency points, varying the load impedance of the receiving antenna. UNIFESSPA

Fundo Mackenzie de Pesquisa Society currently seeks competitiveness for its business, high performance and a low cost support platform, idealizing the contemporary scenario where the world is interconnected by communication networks. Thus the need for optical networks arises because of its advantages of reaching long distances and high speeds with good bandwidth compared to the wired system, but the optical system itself is limited in its resources favoring the need for research to soften the data. damage caused by distortion of optical signals. The purpose of this paper will use machine learning and artificial intelligence techniques to construct a conceptual model capable of predicting signal distortions in optical link designs and their regeneration and thus ensuring their autonomous optimization, with the aim of reducing the project cost of implementing fiber optic links. The computational potential has increased in the last decades favoring the execution of machine learning algorithms and promoting the conditions for this work. It will be made a comparative analysis between three algorithms already used in the literature in optical communications application seeking to find the most suitable algorithm for the construction of this machine learning model that needs a composite output in its predictions, considering the range of variables necessary to elaborate a optical link. The results presented are motivating, showing a high accuracy of predictions of machine learning algorithms around 99% and in the validation of predictions made an optimized link with a BER 1.10−06 evidencing the application of machine learning algorithms in the projects of optical links. A sociedade atualmente busca competitividade para seus negócios, alta performance e uma plataforma de sustentação com baixo custo, isso idealiza o cenário contemporâneo onde o mundo está interconectado por redes de comunicação. Surge com isso a necessidade das redes ópticas pelas suas vantagens de alcançar grandes distância e altas velocidade com uma boa largura de banda comparado com o sistema cabeado, mas o próprio sistema óptico é limitado em seus recursos favorecendo a necessidade de pesquisas para amenizar os danos causados pelas distorções dos sinais ópticos. A proposta do presente trabalho utilizará as técnicas de aprendizagem de máquina e inteligência artificial para construir um modelo conceitual capaz de predizer distorções de sinais nos projetos de enlaces ópticos e sua regeneração e com isso garanta sua otimização autônoma, com o objetivo de reduzir o custo do projeto de implementação de enlaces de fibra óptica. O potencial computacional tem aumentado nas ultimas décadas favorecendo a executabilidade dos algoritmos de machine learning e promovendo as condições para realização deste trabalho. Será feita uma análise comparativa entre três algoritmos já utilizados na literatura em aplicacão de comunicações ópticas procurando encontrar o algoritmo mais adequado para construção desse modelo de machine learning que necessita de uma saída composta em suas predições, visto a abrangência de variáveis necessárias para elaboração de um enlace óptico. Os resultados apresentados, são motivadores, mostrando uma acurácia de predições alta dos algoritmos de machine learning em torno de 99% e a na validação das predições realizadas um enlace otimizado com uma BER 1.10−06 evidenciando a aplicação dos algoritmos de machine learning nos projetos de enlaces ópticos. Palavras

O crescente consumo de energia proveniente de fontes não renováveis e finitas vem incentivando o avanço no desenvolvimento e utilização de novas opções de geração de energia. Estas opções, quando incorporadas ao sistema atual de geração e distribuição de energia elétrica, devem incluir novas exigências do sistema de comunicação motivando o desenvolvimento de redes elétricas inteligentes ou Smart Grid (SG). O presente documento propõe um método para otimização de uma rede de topologia em malha com enlaces em fibra óptica. Essa otimização é alcançada através de alterações das conexões físicas da rede em conjunto com uma gerência reativa inteligente. The increasing consumption of energy from nonrenewable and finite sources is encouraging the advance of development and use of new energy generation options. These options, when incorporated into the current electricity generation and distribution system, should demand new requirements from the communication system, motivating the development of Smart grid. This document proposes a method to improve and optimize the network or grid access, built with optic fiber and mesh topology, through the handling of physical connections in the network and a smart reactive management.

Este trabalho descreve a implementação em software de um sistema de comunicação sem fio em luz visível que emprega a multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Cenários com diferentes configurações são simulados nos quais se varia a localização do transmissor e receptor, parâmetros de configuração do OFDM e o método de estimativa utilizada, entre elas um método de estimativa desenvolvida que proporciona melhor performance quando comparado com o método de estimativa dos mínimos quadrados lineares (LLS) em sistemas lineares. O trabalho também aborda a operação do LED emissor no regime linear e não-linear. O desempenho do sistema é verificado através da relação entre a taxa média de erros de bit (BER – Bit Error Rate) e a relação sinal-ruído (SNR, Signal-to-Noise Ratio) e da comparação dos resultados de simulação para os diferentes cenários. This work describes the software implementation of an optical wireless communication system operating in the visible region that employs the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique. Schemes with different configurations were simulated that take into account the transmitter and receiver localization, the configuration parameters of the OFDM and different method of estimation used, including an method of estimation that was developed within the scope of this work and presents better performance than the least squares estimation method (LLS) technique for linear systems. The dissertation also approaches the operation of the Light Emitting Diode (LED) in the linear and nonlinear regimes. The performance of the system is verified and compared using the average Bit Error Rate (BER) versus the signal-to-noise ratio (SNR) relationship obtained through simulation.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo Fundo Mackenzie de Pesquisa Two-dimensional materials herald the coming of advances in many areas of Engineering, thanks to the peculiar physicochemical properties obtained when one isolates a single layer of minerals such as graphite and black phosphorus, for example. In the field of optical communications, graphene, composed by only one layer obtained from graphite, has been conquering prominence in applications regarding electro-optic modulators. Graphene exhibits potential to diminish the size and energy consumption of integrated photonic devices operating in the C-band of telecommunications (1550 nm), as well as to increase their transmission rates. The use of graphene on integrated photonics devices has been proposed and demonstrated with encouraging results concerning binary amplitude modulation. By means of computational simulations on COMSOL MultiPhysics v5.3 software, graphene-based electro-optical modulators for PAM-4 multilevel amplitude modulation with no requirement of digital-to-analog conversion (DAC) were designed in this work. The PAM-4 format allows a two-fold increase compared to the binary format without escalating the electro-optical bandwidth. Hence, modulation speeds higher than 200 Gbit/s are calculated from the fashioned devices with electro-optical bandwidths of 83,3 GHz. Recently, two-dimensional black phosphorus has also been explored for applications in modulators operating on the mid-infrared regime. Simulations were realized evaluating the use of black phosphorus on the 1550 nm wavelength regarding amplitude modulation for performance confrontation with graphene. It is shown that when compared with monolayer graphene, black phosphorus would display superior functioning if employed starting from a thickness corresponding to 12 layers. Os materiais bidimensionais prometem avanços em diversas áreas da engenharia, graças às propriedades físico-químicas peculiares obtidas pela separação de uma única camada de minerais como por exemplo, o grafite e o fósforo negro. No campo das comunicações ópticas, o grafeno, composto por uma única camada atômica obtida a partir do grafite, tem angariado destaque em aplicações concernentes à modulação eletro-óptica. O mesmo mostra-se promissor para reduzir o tamanho, o consumo de energia e aumentar a taxa de transmissão de dados de dispositivos fotônicos integrados operando na banda C das telecomunicações (1550 nm). A utilização do grafeno em dispositivos fotônicos integrados tem sido proposta e demonstrada na plataforma da fotônica do silício com resultados promissores na modulação de amplitude binária. Por meio de simulações computacionais no software COMSOL MultiPhysics v5.3, foram projetados nesse trabalho moduladores eletro-ópticos baseados em grafeno para modulação de amplitude multinível PAM-4 sem necessidade de conversão digital-analógica (DAC). O formato PAM-4 permite dobrar a taxa de bits em relação ao formato binário sem aumento da banda eletro-óptica, dobrando assim a eficiência espectral. Logo, taxas de modulação maiores que 200 Gbit/s são calculadas nos dispositivos projetados com bandas eletro-ópticas de 83,3 GHz. Recentemente, o fósforo negro bidimensional também tem sido explorado para aplicações em moduladores operando no infravermelho médio. Simulações foram realizadas avaliando o uso de fósforo negro no comprimento de onda de 1550 nm para modulação de amplitude para confrontação de desempenho com o grafeno. Demonstra-se que quando comparado ao grafeno monocamada, o fósforo negro apresentaria uma performance superior se empregado a partir de uma espessura correspondente a 12 camadas.

Best service management practices have been widely adopted by providers who maintain and manage computer network infrastructures. One of the prerequisites for adopting these practices is to maintain an effective alignment between information technology management and business management. Among the challenges service managers face while working with optical networks, identifying network high-impact redundancy points in relation to business is a difficult task. Often these managers rely on their own experience to identify points that can receive investments in redundancy in those networks and need to be prioritized in relation to planned budget. There is a growing demand for new models and tools that can support decisionmaking process. This thesis proposed a new model, capable of finding suitable points for the application of asset redundancy through simulations, which aims to mitigate optical network operation interruption risks, with a business focus. The model was implemented through a software tool named Strategic Asset Locator Program (ASP), which performs optical network scenarios simulations, with fault analysis based on topology, dependence between network elements and failure impact on business, estimating the risk related to these elements. The model output (network elements and their risks) allows service and network managers to make better decisions when analyzing risks and defining which critical points can be redundant. A case study was carried out in a real company, through simulations involving five reference network scenarios, where results were evaluated by managers and considered promising, thus contributing to Business-driven IT Management (BDIM) research area. As melhores práticas de gerenciamento de serviços tem sido amplamente adotadas por provedores que mantém e administram infraestruturas de redes de computadores. Um dos pressupostos para a adoção dessas práticas consiste na manutenção de um alinhamento efetivo entre a gestão de tecnologia da informação e a gestão do negócio. Entre os desafios que os gestores de serviços enfrentam ao trabalhar com a gestão de redes ópticas, a identificação de pontos de redundância de alto impacto em relação ao negócio é uma tarefa considerada difícil. Muitas vezes, esses gestores dependem de sua própria experiência para identificar os pontos que podem receber investimentos em redundância nessas redes e serem priorizados em relação ao orçamento planejado. Existe uma demanda crescente por novos modelos e ferramentas que possam dar suporte ao processo de tomada de decisão. Esta tese propôs um novo modelo, capaz de localizar pontos adequados para a aplicação da redundância de ativos através de simulações, que tem como objetivo mitigar os riscos de interrupções do funcionamento de uma rede óptica, com foco no negócio. O modelo foi implementado através de uma ferramenta de software denominada Strategic Asset Locator Program(ASP), que realiza simulações de cenários de redes ópticas, com análise de falhas baseada na topologia, dependência entre elementos de rede e no impacto da falha para o negócio, estimando o risco desses elementos. A saída do modelo (elementos da rede e respectivos riscos) permite que os administradores de rede e serviços tomem melhores decisões ao analisar os riscos e definir quais os pontos críticos passíveis de redundância. Um estudo de caso foi realizado em uma empresa real, por meio de simulações que envolveram cinco cenários de redes de referência, onde os resultados foram avaliados por gestores e considerados promissores, contribuindo assim para a área de pesquisa denominada Business-driven IT Management (BDIM).

Neste trabalho, é proposta a utilização de uma versão aprimorada da taxa efetiva de transmissão segura (EST, do inglês Effective Secrecy Throughput) recentemente proposta na literatura como métrica de desempenho, a qual, além de levar em consideração a taxa de transmissão e a probabilidade de sigilo no receptor (Bob), também limita a probabilidade de que informações vazem para o espião (Eve). Desta forma, o modelo proposto limita, dentre todas as informações enviadas pelo transmissor (Alice), a quantidade máxima que poderá ser obtida por Eve. A nova métrica é chamada de taxa efetiva de transmissão segura com restrições de sigilo. Além de propor esta nova métrica de desempenho, é avaliado qual o impacto no desempenho do sistema quando consideradas transmissões em radiofrequência (RF, do inglês Radio Frequency) e transmissões ópticas em espaço livre (FSO, do inglês Free-Space Optical), em um cenário MIMOME (do inglês Multipleinput Multiple-output Multi-antenna Eavesdropper) que leva em consideração múltiplas antenas (ou aberturas) em Alice e Bob. Para o cenário FSO, é demonstrado como o uso de relays pode aumentar a EST do sistema. Resultados numéricos são então obtidos para verificar as expressões analíticas, demonstrando a influência no desempenho do sistema ao se limitar a quantidade máxima de informações que podem ser obtidas por Eve. In this work, an improvement in the recently proposed performance metric effective secrecy throughput (EST) is presented, which, more than taking into account the secrecy rate and the secrecy outage probability, also limits the outage probability of the eavesdropper (Eve). Thus, the proposed scheme limits the maximum amount of information that Eve might be able to obtain of all the information sent by Alice. Under this new metric, referred to as EST with eavesdropper outage constraints, the impact on the system performance when considering a multiple-input multiple-output multiple-antenna eavesdropper (MIMOME) radio frequency and free-space optical (FSO) scenarios are evaluated. For the FSO scenario, it is also shown how the use of relays can increase the EST. Numerical results are performed to validate the analytical expressions, demonstrating the influence of limiting the maximum amount of information that might be obtained by Eve.

In this work, four optical architectures are proposed and numerically analyzed for the generation of subcarriers based on Mach-Zehnder interferometer with feedback and phase modulation. The first two systems have only one phase modulator and can generate 47 and 61 optical subcarriers, with power fluctuations of approximately 7 and 12 dB, respectively. The first system still stands out because it has 23 subcarriers with textit flatness of only 1,5 dB. To achieve a greater number of streaks a modulator is added in the third and fourth systems, so the third system produces 97 subcarriers with flatness of 7 dB, while the fourth system generates 105 subcarriers with flatness of 13 dB. The proposed systems were designed for integrated photonics, however, numerical simulations have show that these are also feasible in discrete optical systems. All systems were compared with architectures available in the literature, the advantages and disadvantages of the systems will be discussed in the course of the work, the systems can be applied in Radio on Fiber and Elastic Optical Networks. Neste trabalho são propostas e analisadas numericamente quatro arquiteturas ópticas para geração de subportadoras baseados em interferômetro de Mach-Zehnder com realimentação e modulação de fase. Os dois primeiros sistemas possuem apenas um modulador de fase e conseguem gerar 47 e 61 subportadoras ópticas, com flutuação de potência de aproximadamente 7 e 12 dB, respectivamente. O primeiro sistema destaca-se ainda por apresentar 23 subportadoras com flatness de apenas 1,5 dB. Para alcançar um número maior de subportadoras um modulador é acrescentado no terceiro e quarto sistema, com isso o terceiro sistema produz 97 subportadoras com flatness de 7 dB, enquanto o quarto sistema gera 105 subportadoras com flatness de 13 dB. Os sistemas propostos foram pensados para fotônica integrada, contudo, simulações numéricas mostraram que estes também são viáveis em sistemas ópticos discretos. Todos os sistemas foram comparados com arquiteturas disponíveis na literatura, as vantagens e desvantagens dos sistemas serão discutidas no decorrer do trabalho, os sistemas podem ser aplicados em Rádio sobre Fibra e Redes Ópticas Elásticas.

The first part of the present thesis brings optical setups based on optoelectronic oscillators for realization of key distribution, in optical networks, with security based on quantum physics and chaotic systems principles. Three optical setups are proposed: I) A setup for chaotic key distribution. II) A setup for quantum secured chaotic key distribution. III) A setup for quantum-chaotic key distribution, in which quantum and chaotic systems are integrated. In all cases the security analysis is realized. All three systems proved to be viable without the safest quantum-chaotic system. In the second part of the thesis, experimental aspects of photonic generation of microwave signals using fiber optical resonator are considered. Experiments for harmonic generation using amplitude and phase modulators in the optical loop were realized. It can be verified that the systems with phase modulators present a greater amount of harmonics generated. A primeira parte da presente tese apresenta sistemas ópticos baseados em osciladores optoeletrônicos para a realização de distribuição de chaves criptográficas, em redes ópticas, com segurança baseada em princípios da física quântica e de sistemas caóticos. Três sistemas são propostos: I) Sistema de distribuição caótica de chaves. II) Sistema de distribuição caótica de chaves com segurança quântica. III) Sistema de distribuição quantum-caótica de chaves, no qual os sistemas quânticos e caóticos estão integrados em um só. Em todos os casos a análise de segurança é realizada. Os três sistemas se mostraram viáveis sem o sistema quantum- caótico o mais seguro deles. Na segunda parte da tese são abordados aspectos experimentais da geração fotônica de sinais de micro-ondas utilizando ressonadores de fibra. Experimentos para geração de harmônicas com moduladores de amplitude e fase no loop do ressonador foram realizados. Pode-se constatar que os sistemas com moduladores de fase apresentam uma maior quantidade de harmônicas geradas.

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-26T16:51:50Z No. of bitstreams: 1 Almeida, Telmo David Pelicano de .pdf: 18218707 bytes, checksum: 530cef4b3068165c565272eab70ff73a (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-26T16:51:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida, Telmo David Pelicano de .pdf: 18218707 bytes, checksum: 530cef4b3068165c565272eab70ff73a (MD5) Previous issue date: 2018

Doutoramento em Engenharia Física O trabalho descrito nesta tese lida com o estudo de novos conceitos e ferramentas para a otimização da capacidade e eficiência energética das redes em fibra ótica, quer sejam elas as redes que já estão instaladas por todo o mundo ou as redes da próxima geração. Um novo método para otimizar dois parâmetros de transmissão em redes com mapeamento de dispersão é apresentado. Um algoritmo foi desenvolvido para calcular os valores ideais de pré dispersão e potência. Os resultados desta nova metodologia foram comparados com os de metodologias aplicadas por um software comercial. Neste caso de estudo, efetuado para uma rede de fibra ótica submarina, os resultados da nova metodologia foram obtidos mais rapidamente, preservando a exactidão dos mesmos. As redes de longo período (LPGs) são propostas nesta tese como meio para produzir componentes passivos para as redes da próxima geração, que usam o conceito de multiplexagem espacial e fibras com múltiplos núcleos, redes essas que apresentam uma maior capacidade de transmissão por fibra e usam menos componentes. Um estudo comparado três técnicas de inscrição em fibras standard monomodo é apresentado. Uma técnica melhorada para gravar LPGs foi proposta. Com esta técnica é possível gravrar LPGs com picos de atenuação de -25 dB e perdas induzidas pela polarização inferiores a 2 dB, com uma alta taxa de reprodutibilidade, com os valores entre os picos de ressonância de v arias amostras a apresentarem uma diferença máxima de 1 nm . O uso de uma LPG para promover transferência de potência ótica entre dois núcleos de uma fibra com quatro núcleos foi demonstrado experimentalmente com um sinal modulado a 200 Gb/s DP-16QAM. The work described in this thesis deals with studying new concepts and developing tools for improving the capacity and e ciency of optical networks, whether they are the existing networks that already span the globe or those that will be deployed in the future. A new method for optimizing two key launch parameters in legacy dispersion managed (DM) networks is presented. An algorithm was developed to calculate optimum pre-dispersion and launch power values. The results of this methodology were compared to those of a commercial software. For this case-study, in a submarine link scenario, the new method is found to be faster while preserving accuracy. Long period gratings (LPGs) are proposed in this thesis as the foundation for producing passive devices that will operate in future networks that use the concept of space division multiplexing (SDM), which uses new types of bers such as multicore bers (MCFs), reducing components and upgrading the capacity per ber. A study comparing three LPG inscription techniques in both standard single mode bers (SSMFs) and (MCFs) was performed. An improved technique to inscribe LPGs in SSMFs was proposed. With this technique, LPGs can be produced with a maximum di erence between resonant wavelength values of less than 1 nm. Furthermore, it is possible to inscribe LPGs, with attenuation dips of -25 dB while at the same time obtaining polarization-dependent losses as low as 2 dB. The use of a LPG to promote selective coupling between two cores of a 4-core ber was experimentally demonstrated. The device was successfully tested for a 200 Gb/s DP-16QAM signal transmission.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações A iluminação com tecnologia LED tem sido cada vez mais usada nos diferentes campos da tecnologia. De maneira a aproveitar as características que esta tecnologia nos oferece, esta dissertação apresenta um sistema de iluminação que serve para estimar a posição de um robô. Foram desenvolvidos neste trabalho um algoritmo de cálculo de posição compatível com a cabeça do robô usada, simulações MatLab do cálculo de posição do robô e otimização da distribuição das luminárias para minimizar o erro de posição. Por m foi desenvolvido um circuito emissor LED de maneira a testar o algoritmo de posição na prática. LED lighting technology has been increasingly used in various elds of technology. In order to take advantage of the features that this technology provides, this thesis presents a lighting system that serves to estimate the position of a robot. It was develop in this work a position calculation algorithm compatible with the head of the robot used, MatLab simulations of robot position calculation and optimization of the distribution of the light xtures to minimize the position error. Finally it was developed an LED emitter circuit in order to test the position algorithm in practice.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo Fundo Mackenzie de Pesquisa This work presents studies and simulations of phase modulators in optical signals with the use of integrated components based on silicon photonics with graphene to improve the data transmission capacity (bandwidth) due to the increasing demand generated by new and modern last generation used in industries and residences nowaday. A brief description of the history of research on graphene, its characteristics and challenges in the area of phase modulation will be presented, emphasizing the applications with modulation by electro-refraction. Through numerical simulations, optical phase modulators based on silicon waveguides with graphene transferred on these guides were designed, quasi-TE and quasi-TM modes were evaluated. Although most graphene-based integrated modulators have been shown to operate in quasi-TE mode, this work demonstrates that the best performance achieved was for quasi-TM mode operation due to a higher concentration of the optical field in the region where the graphene is deposited on the waveguide. The best performance was achieved for a waveguide formed by silicon with 2 layers of graphene in its upper part, separated by a dielectric alumina material, with operation in the quasi-TM mode, with VpL of 0,5 V.mm and electro-optical bandwidth up to 2,85 GHz. Este trabalho apresenta estudos e simulações de moduladores de fase para sinais ópticos utilizando componentes integrados baseados na fotônica do silício com grafeno visando atender à grande demanda de transmissão de dados (largura de banda) utilizados em indústrias e residências ultimamente. Será apresentada uma breve descrição do histórico de pesquisas sobre o grafeno, suas características e desafios na área de modulação de fase de sinais, dando ênfase às aplicações eletro ópticas com modulação por eletro-refração. Através de simulações numéricas foram projetados moduladores ópticos de fase baseados em guias de onda de silício com o grafeno transferido sobre esses guias, foram avaliados os modos quase-TE e quase-TM. Apesar de a maioria dos moduladores integrados baseados em grafeno que foram demonstrados trabalharem com operação quase-TE, neste trabalho demonstra-se que o melhor desempenho alcançado foi para o modo quase-TM devido a uma maior concentração do campo óptico na região onde o grafeno ´e depositado sobre o guia de onda. O melhor desempenho alcançado foi para um guia de onda formado por silício com 2 camadas de grafeno em sua parte superior, separadas por um material dielétrico de alumina, com operação no modo quase-TM, com VpL de 0,5 V.mm e largura de banda eletro óptica de até 2,85 GHz.

A crescente demanda por capacidade em sistemas de comunicação por fibra óptica tem conduzindo a pesquisa no sentido de desenvolver produtos cada vez mais robustos e confiáveis. Várias soluções para estimar o desempenho desses sistemas têm sido propostas. As redes ópticas viabilizam a propagação da luz em basicamente dois tipos de ambientes: homogêneos, que baseiam-se sempre no mesmo tipo de fibra; heterogêneos, que são formados por diferentes tipos de fibras. Nesse trabalho, é estudado o desempenho de sistemas de comunicação óptica com diferentes tipos de fibra e sem compensação da dispersão por meio de simulações numéricas e modelos de ruído Gaussianos. É demonstrado que modelos de ruídos Gaussianos com baixa complexidade, tipicamente empregados em redes dinamicamente reconfiguráveis, não são adequados para modelar a propagação não-linear em enlaces com tipos de fibras diferentes. Com a utilização de modelos de ruído de interferência não-linear (NLIN - Nonlinear Interference Noise), é demonstrado que o desempenho de enlaces bidirecionais, sem compensação da dispersão, varia significativamente dependendo da direção do sinal propagado e da ordem das fibras no caminho óptico de transmissão. Isso permite que, em um sistema de transmissão óptica preexistente ou em um novo projeto de um sistema óptico interagindo com um sistema preexistente, o setor de engenharia responsável pela transmissão óptica escolha qual o melhor caminho que o sinal óptico deve percorrer para se obter o melhor desempenho, dependendo dos tipos de fibras instalados e do sentido de propagação do sinal na rede preexistente. Além disso, são apresentadas mudanças necessárias no modelo de ruído de interferência não-linear para cobrir cenários com diferentes tipos de fibras de modo que o desempenho seja otimizado e similar para ambas as direções. The growing demand for capacity in fiber optic communication systems is driving research to develop increasingly robust and reliable products. Several solutions to estimate the performance of these systems have been proposed. Optical networks enable the propagation of light in basically two types of environments: homogeneous, which are always based on the same type of fiber; heterogeneous, which are formed by different types of fibers. In this work, the performance of optical communication systems with different fiber types and without compensation of the dispersion through numerical simulations and Gaussian noise models is studied. It is demonstrated that low complexity Gaussian noise models, typically employed in dynamically reconfigurable networks, are not suitable for modeling nonlinear propagation in links with different fiber types. With the use of nonlinear interference (NLIN) models, it is demonstrated that the performance of bidirectional links, without dispersion compensation, varies significantly depending on the direction of the propagated signal and the order of the fibers in the optical path of transmission. This allows, in a preexisting optical transmission system or in a new design of an optical system interacting with a preexisting system, the engineering sector responsible for the optical transmission to choose the best path that the optical signal must travel to obtain the best result depending on the types of fibers installed and the direction of propagation of the signal in the pre-existing network. In addition, necessary changes are presented in the nonlinear interference noise model to cover scenarios with different fiber types so that performance is optimized and similar for both directions.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-07-02T11:35:42Z No. of bitstreams: 1 Coelho, Ricardo Jorge Mendonça.pdf: 10683432 bytes, checksum: 8114309a47d1c6649454ab8ecac46b6d (MD5) Made available in DSpace on 2018-07-02T11:35:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Coelho, Ricardo Jorge Mendonça.pdf: 10683432 bytes, checksum: 8114309a47d1c6649454ab8ecac46b6d (MD5) Previous issue date: 2017-07-31

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicação We are living in a time where communications became essential for most of our lives, whether it's in the business world, or in our own homes. The increasing need of higher bandwidth inhibits other networks other than optical ber based ones. Nowadays communications are responsible for a substantial percentage of our energetic footprint, hence Passive Optical Network(PON) are a strong contender for the next step of network implementation. These networks present a low energy consumption because between the transmitter and the receiver the signal stays in the optical domain. Although the increasing needs of bandwidth is almost across the communication world, certain services/identities need more bandwidth whether is download or upload. It's easy to understand that di erent consumers have unique needs. It's necessary to develop an architecture that serves all the costumers, in other words, there is a need for a network that provides high bitrate tra c to the users that needs it but also a network that serves the low end user that is not interested in this increase of bandwidth and therefore price in ation. There is today technologies yet to be widely implemented like NG-PON2 that were not implemented in a large scale because they dont represent a nancial return to the telecom operators simply because there is not enough user that requires the high bandwidth delivered by NG-PON2. It's necessary to nd a solution that includes not only the modern technologies but also the already implemented ones. With the objective of nding a solution for the problems mentioned before, this dissertation has the objective of designing a Photonic Integrated Circuit(PIC) that aims to be a transceiver of a Multitech Network that will be composed by the following technologies: Video-Overlay, XG-PON e NG-PON2. This dissertation presents an approach on Passive Optical Networks( PON) and the standards of the said technologies as well as a study of the components needed to assemble the transceiver using the programs ASPIC and VPI Photonics . In the end, there will be presented an architecture for the transceiver to be used in a Optical Network Unit(ONU), and the respective mask Layout. Vivemos numa época em que as comunicações se tornaram essenciais para grande parte da nossa vida, seja no mundo empresarial, seja nas nossas habitações. A crescente necessidade de aumento de largura de banda inviabiliza outras redes que não baseadas em braotica. Actualmente as comunicações são responsáveis por uma percentagem substancial dos nossos gastos energéticos, justamente por este facto Passive Optical Networks(PON) sao as principais candidatas ao próximo passo no desenvolvimento de redes. Estas apresentam menor consumo energético, pois entre o emissor e o receptor todo o sinal permanece no domínio óptico. Apesar da necessidade de largura de banda estar a aumentar de um modo transversal no mundo das telecomunicações, certos serviços/entidades necessitam de maiores velocidades tanto em termos de download como em termos de upload. E então fácil de perceber que consumidores diferentes têm necessidades diferentes. E necessário encontrar uma arquitectura que agrade a quem necessita de maiores larguras de banda mas também a quem não necessita de um aumento significativo e que, não está disposto a pagar por este. Existem neste momento tecnologias que ainda não foram implementadas em grandes escalas, como o caso de Next Generation Passive Optical Network (NG-PON2), porque não simbolizam um retorno financeiro para as grande operadores, uma vez que o número de potenciais consumidores de tais velocidades ainda não e substancialmente grande. E necessário encontrar uma solução que não so englobe as novas tecnologias como também as já existentes. Com o objectivo de se encontrar um solução para os problemas acima referidos, este trabalho assenta na elaboração de um Circuito integrado fotonico que visa ser um transrecetor de uma arquitetura multi-tecnologia em que irão ser incorporadas tecnologias como Video-Overlay, 10 Gigabit-capable Passive Optical Network (XG-PON) e NG-PON2. Esta dissertação apresenta uma abordagem as Redes Oticas Passivas e também um estudo feito aos componentes usados no transreceptor usando os programas Aspic e VPI Photonics . Porém ser a apresentado o desenho final do transreceptor que ser a usado numa Optical Network Unit(ONU).

Este trabalho apresenta uma investigação sobre o controle de potência em redes OCDMA visando atenuar os efeitos adversos da variação da temperatura ambiente nas fibras ópticas. O sinal óptico transmitido em fibras sujeitas à variação da temperatura ambiente apresenta uma deformação da função de autocorrelação do sinal óptico. Essa deformação ocasiona uma perda de potência que afeta negativamente a qualidade da transmissão das redes OCDMA. O sistema proposto utiliza uma meta-heurística baseada no comportamento de enxames de vaga-lumes (FA- Firefly Algorithm) para o controle da potência alocada para cada usuário da rede. Esse controle visa compensar a perda de potência causada pelos diversos efeitos que afetam as redes OCDMA, incluindo os relacionados à variação da temperatura ambiente. O controle de potência tradicional se baseia em método matemático que utiliza inversão matricial, tendo por isso um alto custo computacional, ao que a abordagem proposta reduz a complexidade computacional do problema. Toda a estrutura da rede e do algoritmo de otimização, além das simulações computacionais foram desenvolvidas em ambiente MATLAB®. Os resultados obtidos com as simulações mostram que a variação de temperatura ambiente, a configuração de rede considerada e os parâmetros de construção do código afetam o desempenho das redes OCDMA que utilizam códigos 2-D e 3-D. Foi possível concluir que a utilização do FA é eficiente no controle de potência em redes OCDMA, convergindo após um pequeno número de iterações para os valores de potência ótima determinados via metodologia analítica e apresentando resultados semelhantes a outras abordagens presentes na literatura como, por exemplo, otimização por enxame de partículas (PSO – Particle Swarm Optimization). This work presents a research related to power control in OCDMA networks aiming to mitigate the effects of environmental temperature variation in optical fibers. The optical signal transmitted in fibers exposed to environmental temperature variation present a deformation on the optical signal autocorrelation function. This deformation causes a power loss that negatively affects the transmission quality in OCDMA networks. The proposed system considers a meta-heuristic based on firefly swarm behavior (FA – Firefly Algorithm) to control the allocated power to each user in network. This control aims to compensate the power penalty caused by different effects that affects the OCDMA networks, among them the environmental temperature variation. The usual power control is based on a mathematical method that uses a matrix inversion, having a high computational complexity, while the proposed approach reducers the computational effort for the problem resolution. The network structure and the optimization algorithm are implemented on MATLAB® environment. The obtained results show that environmental temperature variation, the network structure and the code construction parameters affects the performance of the OCDMA networks that uses 2-D and 3-D codes. It was possible to conclude that FA is an efficient approach to realize the power control in OCDMA networks, converging after a small number of iterations to optimum power values obtained by analytical methods and equivalent results when compared to other approaches in literature as, by example, Particle Swarm Optimization (PSO).

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações With the continuous evolution of optical communication systems, emerged a need for high-performance optoelectronic elements at lower costs. Photonic packaging plays a key role for the next-generation of optical devices. In this work a standard packaging design rules is described, covering both the electrical and optical-packaging exploring both active and passive adjusting techniques, as well as the thermal management of the photonic integrated circuit (PIC). First a process for fiber-to-chip coupling with custom made ball-lensed fibers, is performed and tested initially in a testing-chip and thereafter in a manufactured practical study-case composed by a silicon holder with an InP distributed feedback (DFB) laser. The process of manufacturing etched V-grooves for fiber alignment is approached in detail. After this, for electrical interconnects and radio frequency (RF) packaging, both wire-bonding and flip-chip technique are discussed, and a characterization of the s-parameters in a PIC with wire-bonding is presented. A technique based on ruthenium-based sensors and platinum and titanium-based sensors for thermal control of the PIC is studied and the tested using a custom made PCB designed exclusively for that purpose. Com a constante evolução dos sistemas de comunicação óticos veio a necessidade de componentes optoelectrónicos de elevada performance a custos relativamente baixos. O encapsulamento ótico tem um papel chave nos dispositivos óticos de última geração. Neste trabalho são descritas as regras de um processo de encapsulamento padrão, que abrange tanto o encapsulamento elétrico e ótico onde são exploradas técnicas de ajustamento ativas e passivas bem como o controlo térmico do circuito ótico integrado (PIC). No início foi efetuado um processo de acoplamento da fibra ao chip com fibras de lente esférica personalizadas, numa primeira usando um chip de teste e de seguida num caso de estudo prático que consiste numa estrutura composta por um holder de silício com um laser de realimentação distribuída (DFB). É abordado em detalhe o processo de fabricação de V-grooves para o alinhamento da fibra com o chip. De seguida são apresentadas e discutidas as técnicas de wire-bonding e flip-chip para o encapsulamento elétrico e ligação dos conectores de radiofrequência (RF), é feito um estudo onde são apresentados os resultados da caraterização dos parâmetros S de um PIC com wire-bonding. Para o controlo térmico do módulo é apresentada uma técnica baseada em sensores de temperatura de ruténio e sensores de Platina e titânio testada numa PCB personalizada

CAPES; CNPq; Fundação Araucária; FINEP Esta tese apresenta aplicações de inteligência computacional para o aprimoramento de sensoriamento ótico realizado com sensores em fibra ótica. Para tanto, redes neurais artificiais (perceptron de múltiplas camadas), máquinas de vetor de suporte para regressão, evolução diferencial e métodos de sensoriamento compressivo são empregados em conjunto com transdutores de redes de Bragg em fibras óticas. As redes neurais artificiais, máquinas de vetor de suporte para regressão e redes de Bragg são empregadas na localização de uma carga aplicada sobre uma placa de acrílico. É apresentado um novo método utilizando evolução diferencial para a solução do problema do espalhamento inverso em redes de Bragg em fibra ótica, propondo o uso de restrições para solucioná-lo na ausência de informação de fase do sinal refletido. Um método para a detecção de múltiplas cargas posicionadas acima de uma placa de metal é proposto. Neste método, a placa de metal é suportada por anéis de ferro contendo redes de Bragg em fibra ótica e a detecção das cargas é realizada com o uso de métodos de sensoriamento compressivo para a solução do problema inverso subdeterminado resultante. A troca dos anéis de ferro por blocos de silicone e um novo método baseado em sensoriamento compressivo e evolução diferencial são propostos. Os resultados experimentais mostram que os métodos computacionais propostos auxiliam o sensoriamento e podem permitir uma melhoria da resolução espacial do sistema sem a necessidade do aumento do número de elementos transdutores. This thesis presents new optical fiber sensing methodologies employing computational intelligence approaches seeking for the improvement of the sensing performance. Particularly, artificial neural networks, support vector regression, differential evolution and compressive sensing methods were employed with fiber Bragg grating transducers. Artificial neural networks (multilayer perceptron) and fiber Bragg gratings were used to determine the location of a load applied to a polymethyl methacrylate sheet. A new method based on the application of differential evolution is proposed to solve the inverse scattering problem in fiber Bragg gratings, where constraints are imposed to solve the problem without the need of phase information. A method for detecting multiple loads on a metal sheet is also proposed. In this method, the metal sheet is supported by iron rings containing fiber Bragg gratings, and compressive sensing methods are employed to solve the resulting underdetermined inverse problem. Further developments of the method replaced the iron rings by silicon blocks and employed a new reconstruction method based on compressive sensing and differential evolution. Experimental results show that the proposed computational methods improve the optical fiber sensing and lead to an enhancement of the spatial resolution without increasing the number of transducers.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Os operadores de telecomunicações, encaram um grande desafio que é o aumento de tráfego de internet, este desafio acarreta a necessidade de en- contrar soluções para o planeamento escalável dos elementos que compõe a rede de transporte ótica. Posto isto nesta tese são estudados mecanismos de otimização em redes de transporte óticas, direcionados para o dimen- sionamento dos nós ao longo de vários períodos. São desenvolvidos, em Matlab, dois algoritmos baseados em modelos distintos (ILP e heurística), com o objetivo de fornecer a solução ótima e quase-ótima no que toca ao número de módulos linha e módulos cliente essenciais na aferição do custo de investimento (CapEx) e custo de operação (OpEx) em redes de transporte óticas. Além disso é incorporado aos algoritmos um aumento progressivo de tráfego na rede ao longo de vários períodos de tempo. No final é comparada a eficiência da performance dos dois algoritmos aplicando-os a uma rede de transporte ótica realista. Telecommunication operators face a major challenge of increasing internet tra c, this challenge entails the need to nd solutions for scalable planning of the elements which compose the optical network. In this thesis there are studies about optimization mechanisms in optical transport networks, targeting node dimensioning of di erent optical networks over several periods. Two algorithms are developed in Matlab, based on distinct models (ILP and heuristics), with the objective of providing the optimum solution concerning the number of line and client modules, which are essential to assesse the capital expenditures (CapEx) and operation expenditures (OpEx) in optical networks. Moreover is incorporated into the algorithms a progressive increase of network tra c over several periods of time. At the end the performance of the two algorithms is compared by applying them to a realistic transport network.

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-21T16:26:02Z No. of bitstreams: 1 Albuquerque, André Antunes de Carvalho .pdf: 15290707 bytes, checksum: eec57dbdb8c5577c46e9d8503d7e9691 (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-21T16:26:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Albuquerque, André Antunes de Carvalho .pdf: 15290707 bytes, checksum: eec57dbdb8c5577c46e9d8503d7e9691 (MD5) Previous issue date: 2017

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Submitted by Patrícia Correia (patriciacorreia@ua.pt) on 2018-06-13T11:46:23Z No. of bitstreams: 1 tese.pdf: 14289251 bytes, checksum: 99b96c38044e948bb8d1b754aa5a21d7 (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-13T11:46:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese.pdf: 14289251 bytes, checksum: 99b96c38044e948bb8d1b754aa5a21d7 (MD5) Previous issue date: 2017

In this paper, we investigated the operational characteristics of two optical devices, Mach- Zehnder interferometer (MZI) and Sagnac interferometer (NOLM). Numerical simulation studies of ultrashort pulse propagation and simulation are presented in a MZI composed of couplers and photonic crystal fiber, as well as in a NOLM made up of coupler and (conventional) traditional fiber. In the analysis of the devices we investigated the properties of the propagation of light pulses in the form of sólitons as well as the generation of logic gates and logic functions. Based on the nonlinear optics, ultrashort pulses were propagated, lasting 100 fs in the MZI and 10 ps in the NOLM. We first investigated a MZI configuration, where we performed a physical analysis of the device analyzing the transmission, extinction rate, crosstalk and factor compression by placing a nonlinearity profile on one of the arms of the MZI using On-Off switching where high order nonlinear effects (GVD, Self-Steepening, Raman, Coupling Dispersion) were considered in Schrödinger's Generalized Nonlinear Equation. We also investigated the Sagnac interferometer in traditional fiber without using high order effects and using PAM-ASK modulation, instead. The research was carried out through computational numerical simulations using the MatLab based software, using the fourth-order Runge Kutta method in the MZI and the Split-Step in the NOLM. We concluded that the proposed devices can be used to obtain the OR, AND and XOR logic gates. The best logical ports for each type of OR and XOR using FOMELG for the MZI were shown. Also, the logical gates of better quality AND, OR and XOR for the NOLM were presented according to the precision ratio (PR). The results provide support for applications in TDMA systems and fully optical networks. Neste trabalho de Tese, foram investigadas características de operação de dois dispositivos ópticos, o interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) e o interferômetro de Sagnac (NOLM). São apresentados estudos de simulação numérica de propagação e chaveamento de pulsos ultracurtos em um MZI constituído de acopladores e fibra de cristal fotônico, como também em um NOLM constituído de acoplador e fibra tradicional (convencional). Na análise dos dispositivos investigamos as propriedades da propagação de pulsos de luz na forma de sólitons como também a geração de portas lógicas e funções lógicas. Baseado na óptica não- linear foram propagados pulsos ultracurtos, de duração de 100 fs no MZI e de 10 ps no NOLM. Investigamos primeiramente uma configuração do MZI onde fizemos uma análise física do dispositivo analisando a transmissão, taxa de extinção, crosstalk e fator de compressão colocando um perfil de não linearidade em um dos braços do MZI utilizando chaveamento On-Off, em que os efeitos não lineares de alta ordem (GVD, Self-Steepening, Raman, Dispersão do Acoplamento) foram considerados na Equação Nonlinear Generalizada de Schrödinger. Em segundo plano investigamos o interferômetro de Sagnac em fibra convencional sem utilizar os efeitos de alta ordem e utilizando modulação PAM-ASK. A investigação foi realizada, através de simulações numéricas computacionais através do software baseado em MatLab, utilizando-se do método de Runge Kutta de quarta ordem no MZI e o Split-Step no NOLM. Encontramos que os dispositivos propostos podem ser utilizados para obter as portas lógicas OU, E e OU-Exclusivo. Para o MZI as melhores portas lógicas para cada tipo de porta OU e OU-Exclusivo utilizando o FOMELG foram mostradas, também para o NOLM foram mostradas as portas lógicas de melhor qualidade E, OU e OU- Exclusivo utilizando a razão de precisão (PR). Os resultados fornecem suporte para aplicações em sistemas TDMA e redes totalmente ópticas.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Communications are vital in the world today. Everything is connected and this means that communication technologies are constantly being pushed to their limits. Any kind of development and improvement that can be done to increase networks capabilities, will find use in some specific application, or even in more common technologies if such is justified. One such case is VLC, it can be used to improve other communication methods capabilities, or as standalone solution, providing advantage in certain scenarios where regular wirelesscommunicationsmethodswouldnotperformaswell,orwouldnotsuit theapplication. VLCalsooffersthegreatadvantageofutilisinganewmedium of transmission for telecomunication systems, which is the visible light spectrum, and is not yet overused and overregulated as other typical mediums. This work was done in partnership with the integrated circuit systems groupd ofInstitutodeTelecomunicaçõesAveiroandaimstostudyanddevelopoptical front end systems for VLC to be used in future projects by this group. As Telecomunicações são fundamentais nos nossos dias em que tudo está interligado, levando as tecnologias de telecomunicações constantemente ao seu limite. Todo o tipo de melhoria que possa ser feito para melhorar o desempenho de uma rede, encontrará aplicação em alguma área, mais específica, ou caso se justifique, até mesmo em tecnologias de telecomunicação mais comuns. Um exemplo é o VLC (Visible Light Communication), que pode ser utilizado para melhorar as capacidades de outros tipos de redes de telecomunicações, ou em alternativa a outros tipos de redes, oferecendo vantagens em certos cenários onde métodos tradicionais de telecomunicações sem fios não teriam tão bom desempenho, ou não serviriam a aplicação desejada. O VLC também tem como grande vantagem a hipótese de utilização de um novo meio de transmissão para sistemas de telecomunicações, que é o espectro da luz vísivel, que não se encontra ainda sobrelotado e tem regulamentos mais relaxados que outros meios de comunicação tradicionais. Este trabalho foi feito em colaboração com o grupo de sistemas e circuitos integrados do Instituto de Telecomunicações Aveiro, e visa o estudo de desenvolvimento de ‘frontends’óticosparaVLC,parautilizaçãofuturaemprojetosporpartedeste grupo.

Mestrado em Engenharia Física Nesta dissertação, é apresentado um modelo numérico implementado em MATLAB, que usa a teoria dos modos acoplados, para simular e estudar o comportamento de redes de período longo em bras óticas. Esse modelo tem como objetivo otimizar uma técnica de gravação de redes de período longo por irradiação com laser de CO2, que causa uma variação de índice de refração radialmente simétrica na rede. A técnica de gravação está a ser desenvolvida no Instituto de Telecomunicações com um sistema comercial de processamento de bra, que usa um laser de CO2 como fonte de aquecimento. Com essa técnica, foi possível fabricar redes de período longo com variação do índice de refração radialmente simétrica e também reproduzi-las. Para simular as redes, foi necessário estimar o valor máximo da varia ção do índice de refração, recorrendo a um algoritmo genético, pois não foi possível medir experimentalmente esse parâmetro. O valor estimado para esse máximo foi de 22 10􀀀4. Com o modelo numérico, simulou-se redes cujos espetros de transmissão são semelhantes aos medidos experimentalmente. In this dissertation, a numerical model implemented in MATLAB is presented. The model uses the coupled modes theory, to simulate and study the behaviour of long period gratings in optical bers. This model aims to optimize an inscribing technique of long period gratings by CO2 laser irradiation, which causes a radially symmetric refractive index variation in the grating. The inscribing technique is being developed at the Instituto de Telecomunicações - Aveiro with a commercial ber processing system, which uses a CO2 laser as the heating source. With this technique it was possible to fabricate long period gratings with a radially symmetrical refractive index variation and also to reproduce them. To simulate the gratings, it was necessary to estimate the maximum value of the refractive index variation, using a genetic algorithm, since it was not possible to measure this parameter experimentally. The estimated value for this maximum was 22 10􀀀4. The simulations produced transmission spectra which are similar to those measured experimentally.

Doutoramento em Engenharia Física O processamento ótico de sinal é uma alternativa possível para melhorar o desempenho e eficiência de sistemas de comunicações óticas, mas o seu estágio atual de desenvolvimento é ainda insuficiente para aplicações em sistemas reais. De forma a inverter esta situação, novas estratégias e pos-sibilidades para processamento ótico de sinal são aqui investigadas, com ênfase em conversão de comprimento de onda, regeneração de fase e amplificação sensível à fase em dispositivos de niobato de lítio com inversão periódica dos domínios ferroelétricos e fibras fortemente não-lineares. Um novo método para o desenho do perfil de inversão dos domínios fer¬roelétricos nos dispositivos de niobato de lítio de acordo com um espetro de conversão alvo é investigado nesta tese. O método proposto é validado numericamente e através da produção de um dispositivo real com largura de banda de conversão de 400 GHz. O dispositivo produzido é utilizado para conversão de onda multicanal de oito sinais modulados em fase, com a possibilidade adicional de sintonizar o comprimento de onda dos sinais con¬vertidos. Observa-se a existência de um compromisso entre elevada largura de banda de conversão e eficiência do dispositivo. São também investigadas nesta tese conversão e permuta de comprimento de onda tolerantes ao ruído de fase adicionado por fontes de bombeamento. Demonstra-se neste trabalho que a utilização de fontes de bombeamento coerentes permite evitar a adição de ruído de fase aos sinais convertidos. Nesta tese é também analisada analítica e numericamente amplificação sensível a fase baseada em dispositivos de niobato de lítio com inversão periódica dos domínios ferroelétricos para configurações de amplificadores de um, dois ou quatro modos. É ainda avaliada a possibilidade de ge¬rar ondas correlacionadas e de realizar amplificação sensível a fase num único dispositivo com propagação bidirecional. Com base neste esquema, demonstra-se regeneração de fase de sinais modulados em fase, porém com ganho limitado devido à baixa eficiência de conversão dos dispositivos e com desempenho afetado por instabilidades térmicas e foto refrativas. Mo¬tivado por estas limitações, demonstra-se amplificação de elevado ganho num amplificador sensível à fase de quatro modos, construído com uma fibra fortemente não-linear em vez de um dispositivo de niobato de lítio. Por fim, é efetuada uma análise numérica do impacto de utilizar amplifica¬dores sensíveis à fase em vez de amplificadores de fibra dopada com érbio no alcance em transmissão ponto a ponto de sinais e na amplificação e regeneração em redes óticas. Demonstra-se que amplificadores sensíveis à fase são mais vantajosos para formatos de modulação avançados e siste¬mas compostos por ligações óticas longas. As simulações assumem mode¬los simplificados para o ganho e ruído dos amplificadores, bem como uma versão modificada do modelo de ruído Gaussiano para estimar a potência das distorções não-lineares em sistemas com compensação total da dispersão cromática no final de cada segmento de fibra entre amplificadores. All-optical signal processing techniques are a possible way to improve the performance and efficiency of optical communication systems, but the cur¬rent stage of development of such techniques is still unsatisfactory for real- world implementation. In order to invert this situation, new strategies and possibilities for all-optical signal processing are investigated here, with a particular focus on wavelength conversion, phase regeneration and phase- sensitive amplification in periodically poled lithium niobate waveguides and highly nonlinear fibers. A new and flexible method to design the poling pattern of periodically poled lithium niobate devices according to a target conversion spectrum is inves¬tigated in this work. The proposed method is validated through numerical simulations and by producing a real device with broad conversion bandwidth of 400 GHz. The device is then used for multichannel wavelength conversion of eight phase-modulated signals, with the additional possibility to tune the wavelength of the converted signals. A trade-off between high conversion bandwidth and conversion efficiency is observed. Advanced wavelength conversion and wavelength exchange tolerant to the phase noise added by the pump lasers are also investigated. It is shown that the additional phase noise transferred to the converted signals is eliminated by using coherent pumps, generated from the same light source. Phase-sensitive amplification based on periodically poled lithium niobate devices is also investigated in this thesis by numerically comparing the gain properties for one-, two- and four-mode configurations. The possibility to si¬multaneously generate correlated waves and observe phase-sensitive amplifi¬cation in a single device with bidirectional propagation is also demonstrated. Using such scheme,"black-box" phase regeneration of phase-encoded sig¬nals is experimentally demonstrated, albeit with limited net gain due to the low conversion efficiency of the device, and the limited reliability due to thermal and photorefractive instabilities. Motivated by such limitations, high-gain amplification in a four-mode phase-sensitive amplifier built with a highly nonlinear fiber instead of a periodically poled lithium niobate is demonstrated. Finally, the impact of using phase-sensitive amplifiers instead of common erbium-doped fiber amplifiers on the reach in point-to-point transmission and on the amplification and regeneration requirements in optical transport networks is numerically investigated. The calculations show that phase- sensitive amplifiers are particularly advantageous when considering high- order modulation formats and for transport networks comprised by long links. The numerical simulations are performed using simplified models for the gain and noise properties of the amplifiers, and a modified enhanced Gaussian noise model to estimate the power of the nonlinear distortions in systems with full dispersion compensation at the end of each span of fiber.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações A crescente procura de largura de banda tem obrigado a área de comunicações óticas a explorar diferentes soluções, de forma a evitar a ”crise de capacidade” [1]. O investigadores têm trabalhado no sentido de atingir o equilíbrio entre os vários compromissos, repensando a forma como o sinal ótico é enviado e recebido, para que a perda de informação seja mínima ao longo do canal de propagação. No inıcio desta década, começaram a ser adotados formatos de modulação avançada, os quais apresentam elevada eficiência espetral, bem como deteção coerente, que permite extrair a informação da amplitude e da fase do campo ótico. Estas técnicas são complementadas pelo pós-processamento digital de sinal, que é atualmente muito importante na mitigação das distorções do sinal e imperfeiçoes do recetor. As distorções do sinal podem ser causadas, por exemplo, pela dispersão cromática na fibra. Esta dissertação engloba o estudo e simulação de um sistema de transmissão coerente PM-QPSK, bloco-a-bloco, fazendo uma abordagem detalhada dos conceitos supramencionados. O sistema foi então simulado na presença de dispersão cromática e de ruído, alternada e simultaneamente. Os resultados mostram que o sinal recebido apresenta uma distribuição quase Gaussiana em todos os casos. Com vista a recuperar o sinal transmitido, e no caso em que só se considerou o efeito da dispersão cromática, aplicou-se um filtro linear de resposta impulsional inversa à da fibra, conseguindo assim uma equalização digital perfeita do sinal recebido. Também foi implementado um filtro adaptado no receptor para minimizar o efeito do ruído, obtendo não uma equalização perfeita, mas ótima. The crescent demand on high bandwidth has been compelling the optical communications area to explore di erent solutions, in order to avoid the \capacity crunch" of the optical bres [1]. Researchers have been working towards reaching the best tradeo s balance, rethinking the way as the optical signal is sent and received, so the loss of information is minimum throughout the propagation channel. Advanced modulation formats became adopted in the beginning of this decade, presenting high spectral e ciency, as well as coherent detection, which allows extracting information from the amplitude and phase of the optical eld. These techniques are complemented by post-digital signal processing, which is nowadays very important at mitigating signal distortions and receiver imperfections. Those impairments result, for instance, of the chromatic dispersion at the bre. This dissertation covers the study and simulation of a PM-QPSK transmission system, block-by-block, approaching in detail the concepts mentioned above. The system was then simulated with chromatic dispersion and with noise, alternately and simultaneously. The results show that the received signal presents an almost Gaussian distribution in every case. In order to retrieve the transmitted signal, and in the case that only chromatic dispersion's e ect was considered, a linear lter was applied with an inverse impulse response of the bre, achieving such a perfect digital equalization of the received signal. A matched lter was also implemented in the receptor to minimize the noise e ect, obtaining not a perfect equalization, but an optimal one.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-01-23T16:47:08Z No. of bitstreams: 1 Inês do Vale Marques Oliveira .pdf: 4620618 bytes, checksum: 8eb24f1c2576639df88cff5022d131be (MD5) Made available in DSpace on 2018-01-23T16:47:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Inês do Vale Marques Oliveira .pdf: 4620618 bytes, checksum: 8eb24f1c2576639df88cff5022d131be (MD5) Previous issue date: 2016-12-22

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Submitted by Carla Jesus (cjesus@ua.pt) on 2018-03-23T11:25:29Z No. of bitstreams: 1 Tese_Carla_Rodrigues_60880.pdf: 3401509 bytes, checksum: c707f7e4566e444f5bc0ef7a281b3bd2 (MD5) Made available in DSpace on 2018-03-23T11:25:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Carla_Rodrigues_60880.pdf: 3401509 bytes, checksum: c707f7e4566e444f5bc0ef7a281b3bd2 (MD5) Previous issue date: 2016-12-20

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Along with privacy and security, the growth of demand from the consumer for higher bandwidth presents one of the most important modern challenges in telecommunications infrastructures. The researchers were encouraged to nd not only e cient but also the economically viable solutions capable of meeting the growing needs of the consumer. Optical communications are the way that can accompany this growth. The Passive Optical Network (PON) is an architecture that shares the ber bandwidth among several users. There has been a constant study under this topic for the purpose of using all the ber abilities and to nd new solutions to keep the access network simple. Photonic Integrated Circuits (PICs) are a technology that emerged to help the complexity of the hardware that exists nowadays. It is a single chip capable of integrating numerous optical components, which leads to a reduced complexity, size and power consumption. These are the important characteristics that make the PICs a powerful tool to use in several applications. This dissertation presents a monolithic PIC transceiver in the context of Next Generation of Ethernet Passive Optical Network (NG-EPON) which aims to design and implement integrated optical circuits for future access networks. The transceiver architecture is able to be used as an Optical Network Unit (ONU) with a 4 channels approach for 100 Gb/s solutions. The present work contributed for the FUTPON project supported by P2020. Em par com a privacidade e segurança, a crescente procura do consumidor por maiores larguras de banda apresenta um dos mais importantes desafios modernos das infraestruturas de telecomunicações. Esta procura incentiva assim a investigação de novas soluções não são eficientes, mas também economicamente viáveis, capazes de satisfazer as crescentes necessidades do consumidor. As comunicações óticas apresentam ser o meio apropriado para acompanhar este crescimento. A Rede Óptica Passiva (PON) e uma arquitectura usada para distribuição de fibra ótica ate ao consumidor final. Esta tecnologia permite dividir a largura de banda de uma única fibra por diferentes clientes. Tem havido um estudo constante no âmbito deste tópico para conseguir tirar máximo partido das capacidades da fibra e de modo a encontrar novas soluções para tornar este método mais simples. Os Circuitos Oticos Integrados (PIC) sao uma tecnologia que surge para ajudar na complexidade do hardware existente hoje em dia. Consiste num único chip capaz de integrar vários componentes óticos, o que leva a uma diminuição da complexidade, tamanho e redução do consumo de energia. Estas características fazem com que seja uma tecnologia vantajosa para uso em diferentes aplicações. O desenho e a implementação da arquitectura do transrecetor em formato PIC no contexto da Next Generation of Ethernet Passive Optical Network (NG-EPON), e o principal objectivo desta dissertação onde visa o desenvolvimento circuitos óticos integrados para redes oticas de acesso futuras. Esta arquitectura devera ser utilizada como Optical Network Unit (ONU) contendo 4 canais para atingir 100 Gb/s. Este trabalho contribuiu para o projecto FUTPON suportado pelo P2020.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações A presente dissertação faz uma abordagem à eficiência energética em aplicações gerais de iluminação. Vem na sequência do projeto LITES, que teve como objetivo o estudo e demonstração da viabilidade económica de um sistema de iluminação inteligente. A Universidade de Aveiro participou neste projeto e a Ponte Pedonal do Crasto é um dos locais piloto, cuja iluminação existente foi totalmente substituída por um sistema de iluminação inteligente. A integração do LED em sistemas de iluminação é amplamente justificada pela eficiência energética que apresentam, conduzindo a uma muito significativa diminuição de custos. Inicialmente, será feita uma introdução à história da iluminação artificial, desde o seu aparecimento no período da pré-história, passando pela sua evolução, até à atualidade. A seguir será dado ênfase à iluminação LED, tal como, suas caraterísticas, regulamentações a que se encontram sujeitos os dispositivos referentes a este tipo de iluminação e principais aplicações. Nesta sequência, serão ainda caraterizados os drivers LED mais utilizados, módulos de comunicação sem os e alguns sensores de movimento/ presença, integrados em sistemas de iluminação inteligentes. Finalmente, ser a apresentado o projeto do circuito e respetiva implementação prática, análise de dados e resultados obtidos. This dissertation is an approach to energy e ciency in general lighting applications. Follows the project LITES, which aimed to study and demonstration of feasibility economic of an intelligent lighting system. The University of Aveiro participates in this project and the Footbridge of Crasto is one of the pilot sites, whose existing lighting was fully replaced by an intelligent lighting system. The integration of LED in lighting systems is widely justi ed by the energy e ciency they present, leading to very signi cant cost savings. Initially an introduction will be made to the history of arti cial lighting, since its appearance in the prehistoric period, through for its evolution to the present day. The following will enphasize the LED lighting, as well as its characteristics, regulations to which the devices related to this type of lighting and main applications are subject. In this sequence, the most commoly used drivers, wireless communication modules and some motion/presence sensores, integrated into intelligent lighting systems, will also be featured. Finally, the circuit design and its pratical implementation, data analysis and results will be presented.

Neste trabalho, os efeitos das incertezas de estimativa de canal são considerados na otimização da relação sinal-ruído óptica (OSNR) em redes ópticas com multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM). A otimização da OSNR aumenta a vazão da rede e a eficiência energética, permitindo minimizar o número de retransmissões em camadas superiores. Os algorítmos de otimização de OSNR estão relacionados com a estimativa de canal óptico realizada pelas combinações de monitores de desempenho ópticos (OPM), modelos analíticos e simulações numéricas. Além disso, as incertezas de estimativa são introduzidas por vários fatores, como a disponibilidade de informações de monitoramento, defeitos nos monitores, precisão, a imperfeição do modelo da camada física e a dinâmica de alocação de canal. Neste estudo, foi utilizada a otimização da OSNR baseada em técnicas heuríticas por enxame de partículas. Os resultados numéricos demonstraram a relação entre as incertezas na estimativa de erro de canal, média normalizada do erro quadrático (NMSE) e penalidade de potência. A metodologia desenvolvida pode ser utilizada para determinar o nível máximo de incertezas aceitáveis na estimativa de erro de canal de acordo com a penalização de potência permitida na otimização OSNR. In this work, we investigate the effects of estimation uncertainties in the optimization of the optical signal-to-noise ratio (OSNR) at the wavelength division multiplexing (WDM) optical networks. The OSNR optimization increases the network throughput and energy efficiency and it enables to minimize the number of retransmissions by higher layers. The OSNR optimization algorithms are related to the optical channel estimation performed by the combinations of optical performance monitors (OPM) measurements, analytical models and numerical simulations. Furthermore, the estimation uncertainties are introduced by several factors such as the availability of monitoring information, monitoring accuracy, imperfection of physical layer and dynamic of channel allocation. Our numerical results have demonstrated the relation between the uncertainties in the channel error estimation, normalized mean squared error (NMSE) and power penalty. The developed methodology can be utilized to determinate the level of acceptable uncertainties in the channel error estimation according the power penalty permitted in the OSNR optimization.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Nesta dissertação é apresentada uma introdução as redes de transporte oticas multicamada. Foram caracterizados os dois elementos principais da rede: nós e ligações. Ao nível das ligações foi feita uma abordagem baseada nos seus elementos físicos principais. Ao nível dos nós foram tidos em consideração o tráfego de cliente (baixo débito) e o tráfego de linha (alto débito), bem como os componentes necessários para os transportar. A forma como o tráfego de cliente e agregado e o encaminhamento do mesmo na rede, exigem a elaboração de uma arquitetura que minimize os recursos necessários. A necessidade de otimizar este processo de dimensionamento da rede levou a construção e validação de métodos de agregação de tráfego e encaminhamento baseados em topologias lógicas da rede. Assim, proponho nesta dissertação algoritmos de agregação e encaminhamento aplicados a um software livre, previamente validados por modelos de programação linear baseados em restrições e funções objectivo adequadas a topologia pretendida. A apresentação detalhada dos resultados considerando o CAPEX, bem como a sua análise são considerados na dissertação. Por fim, são apresentadas conclusões e sugerido o trabalho científico que ainda pode ser realizado neste âmbito. In this dissertation an introduction is presented to the multilayer optical transport networks. The two main elements of the network were characterized: nodes and links. Regarding the connections it was made a shallower approach based on its key physical elements. In terms of nodes client traf- c (low bandwith) and the line tra c (high bandwith) were considered as well as the components necessary to carry them. The way the client tra c is aggregated and its forwarding in the same network requires an architecture which makes use of the minimum resources. The need of optimizing this network design process led to the construction and validation of tra c aggregation methods and routing based on logical network topologies. I therefore propose in this dissertation routing and grooming algorithms applied to a open source software, previously validated by linear programming models based on constraints and objective functions suitable to the desired topology. A detailed presentation of the results considering the CAPEX and its analysis are also taken into account. Finally, conclusions are presented and the scienti c work that can still be done in this area is suggested.

The development of new quantum communication technologies for optical networks will enable inviolable protocols to exchange secure information. The first and more ro-bust among them is the quantum key distribution (QKD). Although in theory the security is proven unconditionally safe, the implementation in optical networks can still produce flaws due the non-ideal behavior of the optical and optoelectronic devices. In this direc-tion, this thesis presents two contributions to improve security of QKD systems. The first is the redesign of two QKD protocols to use two quantum states of light, the coherent and thermal state, with a polarization randomness. The protocols are the differential quadrature phase shift QKD and QKD using homodyne detection. The second contribution is the experimental characterization of the light emitted by avalanche photodiodes during a detection and its implication in the security of the BB84 QKD protocol. O desenvolvimento de novas tecnologias quânticas para comunicação em redes ópticas permitirá, dentre outros, a realização de protocolos invioláveis para a troca segura de informação. O primeiro e mais desenvolvido destes protocolos é a distribuição quântica de chaves. Embora na teoria esta apresente segurançaa perfeita, a implementação em redes ópticas pode produzir falhas de segurança devido ao comportamento não ideal dos dispositivos A˜¸spticos e optoeletrônicos utilizados. Nesta direção, a presente tese traz duas contribuições para a melhora da seguran¸ca de sistemas de distribuição quântica de chaves. No primeiro caso, os protocolos de distribuição quântica de chaves que operam com deslocamento diferencial de fase em quadratura e com detecção homódina são redesenhados para funcionar utilizando estados coerente e térmico da luz, junto com diversidade de polarização. No segundo caso, a caracterização da luz emitida por fotodiodos de avalanche durante uma detecção e o impacto desta emissão na segurança no protocolo BB84 são realizadas.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações As redes oticas tem vindo a evoluir por forma a conseguir acompanhar a crescente necessidade de largura de banda. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) tem sido utilizado com sucesso em numerosos standards digitais para uma ampla gama de aplicações, tais como a transmissão de audio/video digital e sistemas de comunicação wireline/wireless. A atractividade do OFDM resulta de uma boa e ciência espectral e uma redução da interferência entre símbolos. Neste trabalho tentou-se combinar as qualidades do OFDM com as características únicas de uma Passive Optical Network (PON) por forma a compreender se este cenário e ou não viável e em que condições o poder ser. No transmissor otico, o OFDM e gerado atraves de processamento digital de sinal (DSP) usando a transformada inversa de Fourier (IFFT). Este sinal processado e convertido para o domínio RF e depois endereçado a um mecanismo de modulação otica que o transforma num sinal otico pronto para a transmissão. Vários moduladores vão ser testados, as suas características serão descritas e um estudo acerca do seu impacto no sistema ser a efectuado. No receptor, o campo otico do sinal e reconstruído por detecção direta e em seguida, e aplicado o processamento digital de sinal inverso para assim os dados originais serem recuperados. A qualidade do sinal ser a discutida através de métodos de avaliação, onde as aplicações dos vários sinais são comparadas de modo a caracterizar o desempenho do sistema. Assim inicialmente, foi apresentada e demonstrada uma arquitetura de transmissão OFDM-PON nos links upstream usando um modulador externo de Mach-Zehnder (MZM), com agregação de tráfego por multiplexação de banda ortogonal e formatos de modulação avançados. Como alternativa, utilizou-se um método de modulação de baixo custo, baseado em Re ective Semi-conductor Ampli er (RSOA), com um sinal OFDM de 625 Mbit/s. Ambas as experiências usaram o mesmo setup de recepção para comparação. O RSOA apresenta uma largura de banda electrica limitada e por isso não permite muito maior largura de banda ou ritmo de transmissão. O OFDM-PON demonstra que e uma solução alternativa e ciente para as redes oticas de acesso baseadas em aplicações radio sobre bra. Este trabalho visa a validação de uma arquitetura OFDM-PON com um bit rate de 10 Gbit/s usando formatos de modulação avançados como QPSK e 16- QAM, de modo a conseguir tirar mais partido das capacidades da bra. Optical networks have been improving in order to follow the growth bandwidth demand. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has been successfully employed into numerous digital standards for broadrange of applications such as digital audio/video broadcasting and wireline/ wireless communication systems. OFDM is an attractive solution since it has good spectral e ciency and an e cient symbol interference reduction. In this work, it was studied the combination of the qualities from OFDM with the unique characteristics of a Passive Optical Network (PON) in order to understand if this scenario is feasible and which conditions it can be. In the transmitter side, the OFDM is generated by digital signal processing (DSP) using inverse fast Fourier transformation (IFFT). The processed signal is converted into the RF domain and then addressed to an optical modulation mechanism that transform it in an optical signal for the transmission. Di erent modulators will be tested and their characteristics described. In the receiver side, the optical signal is reconstructed by direct detection and then inverse digital signal processing is applied to retrieve the original data. The signal quality will be discussed through evaluation methods, where the signals applications are compared in order to characterize the system performance. Thus, an OFDM-PON transmission architecture was presented and demonstrated in upstream links using an external modulator Mach-Zehnder (MZM), with tra c aggregation by orthogonal band multiplexing and advanced modulation formats. As an alternative, a low cost modulation method based on the Re ective Semi-conductor Ampli er (RSOA) was used with an OFDM signal of 625 Mbit/s. The reception setup was used for both experiments in order to compare their results. RSOA has limited electrical bandwidth and therefore does not allow higher bandwidth or transmission rate. The OFDM-PON demonstrates to be an e cient alternative solution for optical access networks based on radio over ber applications. This work aims the validation of an OFDM-PON architecture with a bit rate of 10 Gbit/s using advanced modulation formats such as QPSK and 16-QAM, in order to take full advantage of ber capabilities.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações In this dissertation is performed a study of packet and circuit switch on optical transport networks, considering network nodes architecture specifications, functionalities and limitations. It is presented an optimization model for nodes dimensioning, considering network traffic requirements and associated costs, using integer linear programming (ILP) tools. To start, an analysis of the client signal is done, before it enters the optical domain, presenting the main protocols, procedures and transport containers for data. When in optical domain, various grooming configurations, considering client signals bit rate are analysed. Considering the node's architecture and transport modes, mathematical models capable to minimize the costs associated with the network nodes are developed for each considered architecture. Results for different simulation scenarios, continuously increasing network traffic are presented and discussed. This document is finalized with the main conclusions driven by techno-economic analysis. Nesta dissertação é efetuado um estudo sobre comutação de pacotes e circuitos em redes de transporte óticas, considerando especificidades da arquitetura dos nós, funcionalidades e limitações. É apresentado um modelo de optimização para dimensionamento dos nós, considerando requisitos de tráfego da rede e custos associados, utilizando ferramentas de programação linear inteira (PLI). Analisando o sinal de cliente, antes de este entrar no domínio ótico, apresentando os principais protocolos, procedimentos e contentores para transporte de dados. No domínio ótico, diversas configurações de agregação são analisadas, considerando o bit rate dos sinais. Após análise da arquitetura dos nós e modos de transporte, desenvolve- -se um modelo matemático capaz de minimizar os custos associados aos nós da rede, para as arquiteturas consideradas. Os resultados dos diferentes cenários de simulação, com crescimento constante do tráfego são discutidos, finalizando o documento com as principais conclusões obtidas através de análise técnico-económica.

In this paper we present a numerical study of the Sagnac interferometer based on photonic crystals and optical coupler metamaterial. In the simulation of the interferometer effects of light propagation were analyzed, considering the dispersion of the group velocity (GVD) and third order (TOD), intrapulse Raman scattering, self-slope (self-steepening) and self-modulation phase in the generalized non-linear Schrödinger equation. The first time the study was conducted for four power division ratio of factors incident in one of the device ports and three dimensions for the device ring length. To characterize the system performance, were analyzed the transmission curves, extinction ratio, crosstalk and compression factor of the transmitted pulse. In the second moment, the performance of the non-linear switching was observed for obtaining gate under Pulse Amplitude Modulation (PAM). Exciting the two device input ports with logical levels "0" and "1", observing their behavior in one of the device outputs. Initially, the modulation is varied adjustment parameter (| ε |), obtaining only the logical OR gate. And in a second application, the fixed modulation parameter remained and was varied the phase of the input ports 0 to 2π rad, lying type logic gate OR, AND and XOR. The characteristics of a metamaterial guide that has the real part of electrical permittivity and magnetic permeability negatives were also studied. This metamaterial guide is coupled to a conventional guide, observing the transmission characteristics and critical power of this type of coupler and compared with a conventional coupler. For this analysis we used a decreasing automodulation profile linearly with five minimum, observing a hysteresis behavior. Neste trabalho foi realizado um estudo numérico do interferômetro de Sagnac baseado em cristais fotônicos e de acoplador óptico de metamaterial. Na simulação do interferômetro foram analisados os efeitos da propagação da luz, considerando-se a dispersão de velocidade de grupo (GVD) e de terceira ordem (TOD), espalhamento Raman intrapulso, auto-inclinação (Self-steepening) e auto-modulação de fase na equação não linear de Schrödinger generalizada. No primeiro momento foi realizado o estudo para quatro fatores de razão de divisão da potência incidente em uma das portas do dispositivo e três dimensões para o comprimento do anel do dispositivo. Para caracterizar o desempenho do sistema, foram analisadas as curvas de transmissão, taxa de extinção, crosstalk e fator de compressão do pulso transmitido. No segundo momento, foi verificada a performance do chaveamento não-linear para obtenção de porta lógica sob Modulação por Amplitude de Pulsos (PAM). Excitando-se as duas portas de entrada do dispositivo com níveis lógicos "0" e "1", observando o seu comportamento em uma das saídas do dispositivo. Inicialmente, variou-se o parâmetro de ajuste da modulação (|ε|), obtendo-se apenas a porta lógica OR. E, em uma segunda aplicação, manteve-se o parâmetro da modulação fixa e variou-se a fase de uma das portas de entrada, de 0 a 2π rad, encontrando-se portas lógicas do tipo OR, AND e XOR. Também foram estudadas as características de um guia metamaterial que possui a parte real da permissividade elétrica e da permeabilidade magnética negativas. Esse guia metamaterial é acoplado com um guia convencional, observando-se as características de transmissão e potência crítica desse tipo de acoplador e, comparando-se com um acoplador convencional. Para essa análise foi utilizado um perfil de automodulação decrescente linearmente com cinco valores mínimo, observando-se um comportamento de histerese.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações A evolução ao longo do tempo dos dispositivos usados para a iluminação torna possível novas soluções quer no âmbito da iluminação quer agora nas comunicações. Assim a presente dissertação pretende tratar a temática dos circuitos de controlo de fluxo luminoso para sistemas de comunicação por luz visível. Esta dissertação insere-se num projeto que pretende delinear e implementar um sistema de comunicação por luz visível desde a camada tratamento de dados, códigos de correcção de erros, emissor (onde esta se insere) e modulação de dados, criando assim um sistema capaz de enviar informação síncrona e unidirecional. Será feita uma introdução à evolução da tecnologia LED comparativamente a outros dispositivos de iluminação, e o seu constante crescimento face a outras tecnologias de iluminação, bem como as suas potencialidades no âmbito das comunicações no espectro visível. Seguidamente será feito um estudo resumido da história e características físicas dos vários dispositivos de iluminação, assim como os dispositivos e topologias mais usadas para fazer a sua alimentação e controlo de fluxo. Posteriormente será abordado o conceito de conversor digital analógico no domínio ótico que será o conceito chave para o melhoramento do desempenho deste tipo de sistemas. De seguida será feito o projeto e implementação deste conceito tendo em conta alguns testes de desempenho realizados neste trabalho e que limitam o comportamento global do sistema e que terão de ser tidos em conta na implementação deste tipo sistemas. No final será feita uma apresentação do sistema global e da seu respetivo desempenho, usando para o efeito métricas capazes de se retirar conclusões da sua viabilidade face aos sistemas de comunicação por luz visível atuais. The evolution over time of devices used for illumination made possible new solutions within the illumination and communication fields. Therefore the present dissertation deals with the problem of luminous flux control circuits for visible light communications systems. This dissertation is part of a project that aims to the design and implemention of a visible light communication system since the data link layer, error correction codes, the emitter (where this works is focused) and data modulation, originating a system capable of sending information in a synchronous and unidirectional way. It will be done first a small introduction of the LED evolution in light of other illumination devices, as well as its constant growth, and potentialities in visible light communications systems. Then it will be done a short study of the history and physical characteristics of some illumination devices as well the topologies and circuits most commonly used for drive and control the luminous flux. After it will be addressed the concept of optical digital to analog converter which is a key concept for improving this kind of communication systems. Next it will be done the design and implementation of the concept taking into account the performance tests realized over this work which limit the global performance of this kind of systems. At the end it will be presented the global system and the respective performance using metrics capable of making some conclusions about the viability of the presented system versus the current visible light communications solutions.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações O objetivo desta dissertação passa por projetar um driver para díodos emissores de luz (LED) que permita comunicações óticas por luz visível (VLC) durante o dimming da luz. Para isso será necessário conhecer as características dos LEDs e escolher a técnica de dimming mais correta para este driver. Para garantir que o sinal não interfira com o dimming, e viceversa, serão analisadas algumas modulações que abrangem estas duas operações. O driver vai usar conversores digital para analógico (DAC) para poder suportar vários tipos de sinal e para facilitar a sua integração com outros sistemas de comunicação. É necessário garantir que a interface entre este dispositivo e o andar de saída do driver não corte as velocidades do sinal. Isto é possível trocando os amplificadores operacionais por Current Conveyors, dispositivos multifacetados que permitem a entrada do sinal em corrente no lado da DAC. O regulador do driver vai ter que suportar velocidades de transmissão competitivas e gamas de regulação relativamente elevadas, mas para isso vai ser preciso adaptar a topologia deste regulador para fazer a passagem da corrente de polarização e do sinal dos LEDs separadamente. O andar de saída vai usar Darlingtons compostos por transístores bipolares de radio frequência, para garantir larguras de banda e gamas de regulação elevadas. O driver final apresenta uma frequência de corte de 20 MHz para o tipo de sinal ON-OFF, corrente máxima do sinal de 80 mA, e corrente máxima de polarização de 320 mA. Este driver permite comunicações óticas com luz visível durante o dimming da luz, e também pode suportar varios LEDs de alto brilho em série. The aim of this work involves designing a driver for light-emitting diodes (LEDs) enabling visible light communications (VLC) whilst dimming. This will require prior knowledge of the LED characteristics and the correct choice of a dimming technique for the driver. To ensure that the signal does not interfere with the dimming, and vice versa, the nuances covering these two operations must be analysed. The driver will use digital to analog converters (DAC) to support multiple types of signals and to facilitate its integration with other communication systems. The interface between this device and the driver’s output stage must ensure competitive signal speeds. This is possible by swapping the op amps for current conveyors, which are multifaceted devices that allow current input from the DAC. The driver’s regulator will have to support competitive transmission speeds and relatively high regulation ranges, but it will be necessary to adapt the regulator topology in order to drive the LED’s bias current and signal current separately. The output stage will use Darligtons composed of radio frequency bipolar transistors to ensure high bandwidth and high regulation ranges. The final driver has a cut-off frequency of 20 MHz for ON-OFF signal types, maximum signal current of 80 mA and maximum bias current of 320 mA. This driver enables visible light communications during dimming, and it can also support several highbrightness LEDs in series.

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2017-10-11T09:55:33Z No. of bitstreams: 1 Pedro Tiago Gonçalves Ribães.pdf: 1602025 bytes, checksum: 287ed52c1322a7707c8c4e549c1d7b2c (MD5) Made available in DSpace on 2017-10-11T09:55:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pedro Tiago Gonçalves Ribães.pdf: 1602025 bytes, checksum: 287ed52c1322a7707c8c4e549c1d7b2c (MD5) Previous issue date: 2015

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações In the last years there has been a clear evolution in the world of telecommunications, which goes from new services that need higher speeds and higher bandwidth, until a role of interactions between people and machines, named by Internet of Things (IoT). So, the only technology able to follow this growth is the optical communications. Currently the solution that enables to overcome the day-by-day needs, like collaborative job, audio and video communications and share of les is based on Gigabit-capable Passive Optical Network (G-PON) with the recently successor named Next Generation Passive Optical Network Phase 2 (NG-PON2). This technology is based on the multiplexing domain wavelength and due to its characteristics and performance becomes the more advantageous technology. A major focus of optical communications are Photonic Integrated Circuits (PICs). These can include various components into a single device, which simpli es the design of the optical system, reducing space and power consumption, and improves reliability. These characteristics make this type of devices useful for several applications, that justi es the investments in the development of the technology into a very high level of performance and reliability in terms of the building blocks. With the goal to develop the optical networks of future generations, this work presents the design and implementation of a PIC, which is intended to be a universal transceiver for applications for NG-PON2. The same PIC will be able to be used as an Optical Line Terminal (OLT) or an Optical Network Unit (ONU) and in both cases as transmitter and receiver. Initially a study is made of Passive Optical Network (PON) and its standards. Therefore it is done a theoretical overview that explores the materials used in the development and production of this PIC, which foundries are available, and focusing in SMART Photonics, the components used in the development of this chip. For the conceptualization of the project di erent architectures are designed and part of the laser cavity is simulated using Aspic™. Through the analysis of advantages and disadvantages of each one, it is chosen the best to be used in the implementation. Moreover, the architecture of the transceiver is simulated block by block through the VPItransmissionMaker™ and it is demonstrated its operating principle. Finally it is presented the PIC implementation. Nos últimos anos tem existido uma evidente evolução no mundo das telecomunicações, que vai desde novos serviços que requerem maiores velocidades e maior largura de banda, a um role de interações entre pessoas e máquinas, designada por Internet of Things (IoT). Assim, a única tecnologia capaz de acompanhar este crescimento são as comunicações óticas. Atualmente a solução que permite colmatar as necessidades do dia-a-dia, tais como trabalhar colaborativamente, comunicar por áudio e vídeo, e partilhar ficheiros, é baseada no Gigabit-capable Passive Optical Network (G-PON) com a mais recente evolução designada por Next Generation Passive Optical Network Phase 2 (NG-PON2). Esta tecnologia baseia-se na multiplexagem no domínio do comprimento de onda e devido às suas características e desempenho torna-se a tecnologia mais vantajosa. Um dos principais focos das comunicações óticas são os Photonic Integrated Circuits (PICs). Estes conseguem englobar num único dispositivo vários componentes, o que simplifica o desenho do sistema ótico, reduzindo o espaço e o consumo de energia e melhora a confiabilidade. Estas caracteristicas tornam este tipo de dispositivos vantajosos para uma série de aplicações, justificando os investimentos no desenvolvimento da tecnologia para um nível muito elevado de desempenho e fiabilidade ao nível dos blocos de construção. Com o objetivo de desenvolver as redes óticas passivas de futuras gerações, este trabalho apresenta o desenho e a implementação de um PIC que visa ser um transrecetor universal para aplicações para NG-PON2. O mesmo PIC pode ser usado como Optical Line Terminal (OLT) ou como Optical Network Unit (ONU) e em ambos os casos como transmissor e recetor. Inicialmente é feito um estudo das redes óticas passivas e os seus standards. Seguidamente é feita uma abordagem teórica que explora um pouco dos materiais usados no desenvolvimento e produção de um PIC, quais as fábricas existentes, focando na SMART Photonics e os componentes usados no desenvolvimento deste chip. Com vista à concetualização do projeto, diferentes arquiteturas são desenhadas e a parte da cavidade do laser é simulada usando o Aspic™. Partindo da análise das vantagens e desvantagens de cada uma delas, é escolhida a melhor para utilizar na implementação. De seguida, a arquitetura do transrecetor é simulada bloco a bloco através do VPItransmissionMaker™ e é demonstrado o seu princípio de funcionamento. Finalmente é apresentada a implementação do PIC.