[pt] O principal objetivo desta dissertação consiste na proposta de implementação de uma rede de telecomunicações utilizando novas tecnologias, enfatizando as aplicações de entretenimento. As soluções adotadas foram orientadas pelas características econômicas verificadas nas áreas nobres das regiões metropolitanas brasileiras e também pelas novas tecnologias de roteamento, chaveamento, armazenamento e distribuição local. A avaliação do custo de investimento e operacional da rede, bem como a formulação de um modelo de negócios associado a uma estrutura de serviços oferecidos foram apresentadas e desenvolvidas. A construção de um plano de negócio hipotético para avaliar a relação custo-benefício resultante da utilização da infra-estrutura da rede proposta associado ao modelo e estrutura dos serviços elaborados foi implementado e executado. Quatro alternativas de implementação de rede foram avaliadas. / [en] The present dissertation is aiming at proposing a telecommunications network implementation using some new technologies where the emphasis is put on entertainment applications. The adopted solutions try to offer a selection grid that qualitatively cope with the economic level of some selected noble metropolitan areas in Brazil and rely in new routing, switching storage and local distribution technologies. The investment evaluation, the operational network costs and the formulation of a business model associated with the respective used service structure is subsequently introduced and described. Next, a hypothetic business plan service model is launched in order to evaluate the cost-benefit ratio between the network infrastructure proposed working together with its new service model and its new structure. Four possible alternatives of network implementation were evaluated and commented.

[pt] Nessa tese é analisada a dinâmica dos modos de lasers aleatórios à fibra com feedback distribuído. Um rigoroso estudo é feito sobre o mecanismo de feedback distribuído, i.e., o espalhamento Rayleigh, que é um dos principais elementos contribuindo para emissão laser. É desenvolvido um modelo teórico para previsão do retro espalhamento Rayleigh de luz coerente, o qual é baseado na ordem de médio alcance da sílica, e na tensão residual de fibras ópticas. As previsões do modelo são comparadas com resultados experimentais, levando a conclusão de que o retro espalhamento Rayleigh em fibras ópticas é um processo ergódigo nos domínios do tempo e da frequência óptica. O modelo mostrou-se eficaz na previsão das flutuações de intensidade do retro espalhamento Rayleigh de luz coerente, e foi utilizado para explicar a emissão de luz laser numa nova configuração de laser aleatório à fibra, que faz uso de um amplificador óptico a semicondutor (SOA) como meio de ganho. É demostrado que operação monomodo só é possível em emissão pulsada e com bombeio próximo ao limiar laser, enquanto operação multimodo é dominante para bombeio acima do limiar. Resultados experimentais indicam que potência dos modos é limitada pela competição entre modos por ganho. A operação em regime pulsado é atribuída a um efeito de cintilação da luz Rayleigh retro espalhada, que equivale a um fenômeno de chaveamento de perdas (Q-switching) aleatório na cavidade. O tempo de vida dos modos é ~ 1 ms e larguras de linha estreitas, no intervalo entre 4 e 7 kHz, foram obtidas experimentalmente. Lasers aleatórios à fibra com ganho Brillouin também foram analisados, mostrando semelhante dinâmica dos modos. Entretanto, por conta da estreita banda espectral do ganho Brillouin a competição entre modos não limitou a potência dos modos, a qual foi observada ser limitada por luz Stokes proveniente do espalhamento Brillouin de segunda ordem. Por último, experimentos com modulação de fase intra-cavidade foram avaliados, e mostraram que emissão laser pode ser controlada a partir da supressão da condição de fase ou ganho. / [en] In this thesis, it is provided a thorough analysis of mode dynamics of random distributed feedback fiber lasers. A rigorous investigation is proposed for the feedback mechanism, Rayleigh backscattering, which plays a key role in laser action. Based on the intermediate range order of silica glasses, and on residual stress of optical fibers, a theoretical model was built to predict intensity fluctuations of Rayleigh backscattered coherent light. Model predictions were compared to experimental results, strongly supporting the conclusion that Rayleigh backscattering in single mode fibers is an ergodic process exhibiting ergodicity in the time-frequency sense so that the model can be used to predict the statistical behavior of backscattered intensity fading. The model was used to explain laser action in a novel configuration of random fiber laser, with a semiconductor optical amplifier (SOA) employed as the gain medium. It is here demonstrated that single-mode operation is only possible in pulsed regime at SOA driving currents close to the threshold, whereas multimode regime dominates under higher currents. Experimental results indicate that the mode power is limited by mode competition, which is observed under high SOA currents. Pulsed regime is shown to be due to randomly driven Q-switching induced by a scintillation effect in the Rayleigh backscattered light, which effectively translates as a time-varying cavity loss. Mode lifetimes of ∼1 ms and narrow linewidths ranging from 4 to 7 kHz were experimentally obtained. Brillouin-based random fiber lasers were also analyzed, showing similar mode dynamics, but due to the much narrower gain spectral width, mode competition did not limit the mode power, which was rather limited by the second order Brillouin-Stokes light. Last, intra-cavity phase-modulation experiments showed that laser action can be efficiently controlled by breaking either phase or gain conditions.

[ES] Las fibras de multiplexación por división espacial surgieron en la última década como solución al cuello de botella en la capacidad en las redes de comunicación de fibra óptica monomodo. Utilizan el espacio, la última técnica de multiplexación en comunicaciones ópticas, para aumentar la capacidad total en comunicaciones digitales al tiempo que reducen las necesidades de espacio. Las fibras multinúcleo, un tipo de fibras de multiplexación por división espacial compuestas por varios núcleos individuales dentro de la misma cubierta, son prometedoras para las comunicaciones de largo alcance por su compatibilidad inmediata con las redes de fibra actuales. Además, las fibras multinúcleo han despertado interés en otros campos de aplicación, como las interconexiones de centros de datos, las comunicaciones cuánticas, las redes de acceso radio y la Fotónica de Microondas. Además, estas fibras presentan un gran potencial no sólo para la distribución de señales, sino también para su procesado. Las funcionalidades de procesado de señal pueden beneficiarse significativamente del uso de estas fibras en términos de compacidad y peso, garantizando al mismo tiempo versatilidad, reconfigurabilidad y rendimiento estable de banda ancha. En esta Tesis, proponemos la explotación del paralelismo inherente que se encuentra en las fibras multinúcleo para implementar el procesado distribuido de señales ópticas y de microondas. En primer lugar, estudiamos la realización de un componente óptico clave en el procesado de señales en Fotónica de Microondas, la línea de retardo en tiempo real muestreada, con fibras multinúcleo heterogéneas. Esto comprende la validación del rendimiento de una fibra heterogénea de 7 núcleos previamente fabricada, la demostración experimental de las funcionalidades de procesado de señales de microondas; incluyendo el filtrado de señales, la conformación óptica de haces y la generación de formas de onda arbitrarias; y el diseño y fabricación de una fibra heterogénea de 19 núcleos que se comporta como una línea de retardo en tiempo real sintonizable. Esta fibra se fabricó escalando 3 preformas diferentes, cada una con un perfil de índice refractivo específico, para obtener núcleos con unas características de propagación determinadas. Por último, proponemos diferentes diseños de fibras multinúcleo heterogéneas específicos para aplicaciones novedosas de distribución y procesado de señales ópticas, incluyendo la distribución de claves cuánticas, la compensación paralela de la dispersión cromática y los efectos Talbot temporales paralelos. / [CA] Les fibres de multiplexació per divisió espacial van sorgir en la darrera dècada per a solucionar el coll de botella en la capacitat de les xarxes de comunicació de fibra òptica monomode. Utilitzen l'espai, l'última tècnica de multiplexació en comunicacions òptiques, per a incrementar la capacitat total en comunicacions digitals al mateix temps que redueixen les necessitats espacials. Les fibres multinucli, un tipus de fibres de multiplexació per divisió espacial compostes per diversos nuclis individuals situats dins la mateixa coberta, són prometedores per a les comunicacions de llarg abast per la immediata compatibilitat amb les xarxes de fibra òptica actuals. Per aquest motiu, les fibres multinucli han despertat interès en altres àmbits d'aplicació, com les interconnexions de centres de dades, les comunicacions quàntiques, les xarxes d'accés radio i la Fotònica de Microones. A més, aquestes fibres presenten un gran potencial no només per a la distribució de senyals, sinó també per al seu processament. Les funcionalitats de processament de senyals poden beneficiar-se significativament del seu ús en relació a la compacitat i al pes, mentre garanteixen versatilitat, reconfigurabilitat i rendiment estable de banda ampla. En aquesta Tesi, proposem l'explotació del paral·lelisme inherent de les fibres multinucli per a implementar processament distribuït de senyals òptiques i de microones. En primer lloc, estudiem la realització d'un component òptic clau en el processament de senyals en la Fotònica de Microones, la línia de retard en temps real mostrejada, amb fibres multinucli heterogènies. Això comprèn la validació del rendiment d'una fibra de heterogènia 7 nuclis fabricada prèviament, la demostració experimental de les funcionalitats de processament de senyals de microones sobre aquesta mateixa fibra; la qual cosa inclou el filtrat de senyals, la conformació òptica de feixos i la generació de formes d'ona arbitràries; i el disseny i fabricació d'una fibra heterogènia de 19 nuclis que es comporta com una línia de retard en temps real sintonitzable. Aquesta fibra es va fabricar escalant 3 preformes diferents, cadascuna amb un perfil d'índex refractiu específic, per obtindre nuclis amb característiques de propagació determinades. Per últim, proposem diversos dissenys específics de fibres multinucli heterogènies per a aplicacions innovadores de distribució i processament de senyals òptiques, incloent la distribució de claus quàntiques, la compensació paral·lela de la dispersió cromàtica i els efectes Talbot temporals en paral·lel. / [EN] Space-division multiplexing fibers emerged in the last decade as a solution to the capacity bottleneck in single-mode optical fiber communication networks. They utilize space, the last multiplexing technique in optical communications, to increase the total capacity in digital communications whilst reducing space needs. Multicore fibers, a type of space-division multiplexing fibers comprised of multiple individual cores within the same cladding, are promising for long-reach communications because of their immediate compatibility with current fiber networks. Moreover, multicore fibers have raised interest in other fields of application such as data-center interconnects, quantum communications, radio access networks and Microwave Photonics. Apart from that, these fibers exhibit great potential not only for signal distribution but also for signal processing. Signal processing functionalities can benefit significantly from using these fibers in terms of compactness and weight, while assuring broadband versatility, reconfigurability, and performance stability. In this Thesis, we propose the exploitation of the inherent parallelism found in multicore fibers to implement distributed signal processing for optical and microwave signals. First, we study the realization of a key optical component in Microwave Photonics signal processing, the sampled true-time delay line, with heterogeneous multicore fibers. This comprises the performance validation of a previously fabricated heterogeneous 7-core fiber, the experimental demonstration of microwave signal processing functionalities including signal filtering, optical beamforming, and arbitrary waveform generation, and the design and fabrication of a heterogeneous 19-core fiber that behaves as a tunable true-time delay line. This fiber was fabricated by scaling down 3 different preforms, each with a specific refractive index profile, with a different ratio to obtain cores with determined propagation characteristics. Lastly, we propose different custom heterogeneous multicore fiber designs for novel optical signal distribution and processing applications, including quantum key distribution, parallel chromatic dispersion compensation and parallel temporal Talbot effects. / Ureña Gisbert, M. (2023). Novel Multicore Optical Fibers for Signal Distribution and Processing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196862

[pt] Redes de sensores sem fio (WSN) são uma importante alternativa na coleta de dados em diversas situações, tais como no monitoramento de grandes áreas ou áreas que apresentem perigo. A recuperação de dados de WSNs é uma importante atividade que pode obter melhores resultados com o uso de veículos aéreos não tripulados (UAV) como, por exemplo, em relação ao aumento da quantidade de dados coletados e diminuição do tempo entre a coleta dos dados e seu uso. Em particular, áreas tomadas por desastres podem ficar sem recursos de comunicação e com grande risco residual para humanos, momento no qual uma WSN pode ser rapidamente lançada por via aérea e atuar na coleta de dados relevantes até que medidas pertinentes e dedicadas possam ser colocadas em ação. Estudos apresentam abordagens no uso de UAVs para coleta dos dados de WSN, focando principalmente na otimização do caminho a ser percorrido por um único UAV e se baseando em uma comunicação de longo alcance sempre disponível, não explorando a possibilidade da utilização de diversos UAVs ou à limitação do alcance da comunicação. Neste trabalho apresentamos o DADCA, uma abordagem distribuída escalável capaz de coordenadar grupos de UAVs na coleta de dados de WSN sob restrições de alcance de comunicação, sem fazer uso de técnicas de otimização. Resultados indicam que a quantidade de dados coletados pelo DADCA é semelhante ou superior, em até 1 porcento, a abordagens de otimização de caminhos percorridos por UAVs. O atraso no recebimento de mensagens de sensores é até 46 porcento menor do que outras abordagens e o processamento necessário a bordo de UAVs é no mínimo menor do que 75 porcento do que aqueles que utilizam algoritmos baseados em otimização. Os resultados apresentados indicam que o DADCA é capaz de igualar e até superar outras abordagens apresentadas, agregando vantagens de uma abordagem distribuída. / [en] Wireless sensor networks (WSNs) are an important means of collecting data in a variety of situations, such as monitoring large or hazardous areas. The retrieval of WSN data can yield better results with the use of unmanned aerial vehicles (UAVs), for example, concerning the increase in the amount of collected data and decrease in the time between the collection and use of the data. In particular, disaster areas may be left without communication resources and with great residual risk to humans, at which point a WSN can be quickly launched by air to collect relevant data until other measures can be put in place. Some studies present approaches to the use of UAVs for the collection of WSN data, focusing mainly on optimizing the path to be covered by a single UAV and relying on long-range communication that is always available; these studies do not explore the possibility of using several UAVs or the limitations on the range of communication. This work describes DADCA, a distributed scalable approach capable of coordinating groups of UAVs in WSN data collection with restricted communication range and without the use of optimization techniques. The results show that the amount of data collected by DADCA is similar or superior, by up to 1 percent, to path optimization approaches. In the proposed approach, the delay in receiving sensor messages is up to 46 percent shorter than in other approaches, and the required processing onboard UAVs can reach less than 75 percent of those using optimization-based algorithms. The results indicate that the DADCA can match and even surpass other approaches presented, while also adding the advantages of a distributed approach.

[pt] Diferentes tipos de lasers podem ser usados para gerar pulsos de luz com uma ampla faixa de durações de pulso, energias e potências de pico. As técnicas de Q-switching e mode-locked são relatadas há anos por vários autores e pesquisadores e são frequentemente utilizadas na geração de lasers de pulso ultracurto com duração de pulso no domínio do tempo na faixa de nanossegundos até femtossegundos. Uma configuração, com ganho fornecido por um amplificador óptico semicondutor (SOA) e amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) é proposta e emprega a técnica de gerenciamento de dispersão para gerar um trem de pulsos ópticos exibindo alta potência de pico, taxa de repetição ultra-baixa e largura temporal curta, habilitando que este laser seja usado como uma fonte para aplicações de alta resolução em reflectometria óptica no domínio do tempo (OTDR). A operação mode-locked é conhecida por ocorrer apenas em lasers ordenados padrão por um longo tempo e até recentemente foi encontrado também em lasers de fibra aleatórios desordenados (RFL). Embora tenha havido progresso no sentido de travar modos espaciais e longitudinais em lasers aleatórios, a literatura carece de relatos sobre geração de pulsos limitada por transformada de Fourier, apesar das muitas décadas de campo. O autor demonstra experimentalmente um mode-locked random fiber laser (MLRFL) operando como um refletômetro óptico de domínio do tempo sensível à fase. Aqui, a saída total do laser fornece o sinal de detecção, em contraste com o pequeno sinal retroespalhado medido em um OTDR convencional. O laser opera como um sensor acústico distribuído (DAS) e sensor de temperatura distribuído (DTS). / [en] Different types of lasers can be used to generate light pulses with a wide range of pulse durations, energies and peak powers. Q-switching and mode-locked techniques have been reported for years by several authors and researchers and are frequently used in the generation of ultra-short-pulse lasers with time-domain pulse durations from the nanosecond to femtosecond range. A configuration, with gain provided by a semiconductor optical amplifier (SOA) and erbium-doped fiber amplifier (EDFA) is proposed and employ the dispersion management technique to generate a train of optical pulses exhibiting high-peak-power, ultralow repetition rate, and fast temporal width, enabling this laser to be used as a source for high-resolution optical time domain reflectometer (OTDR) applications. The mode-locking operation has been known to occur only in standard ordered lasers for a long time and until recently it was found to also occur in disordered random fiber lasers (RFL). Although progress has been made towards locking spatial and longitudinal modes in random lasers, the literature lacks reports on Fourier transform-limited pulse generation despite the many decades of the field. The author experimentally demonstrates a mode-locked random fiber laser (MLRFL) operating as a lasing phase-sensitive optical time domain reflectometer based on random feedback from a sensing fiber. Here, the full output of the laser provides the sensing signal, in contrast to the small backscattered signal measured in a conventional OTDR. The laser operates as a distributed acoustic sensor (DAS) and distributed temperature sensor (DTS).